WO2020262743A1 - 무선 광 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 이를 위한 송신 단말과 수신 단말 - Google Patents

무선 광 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 이를 위한 송신 단말과 수신 단말 Download PDF

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WO2020262743A1
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transmitting
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optical
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이호재
이상림
전기준
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엘지전자 주식회사
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    • H04B10/079—Arrangements for monitoring or testing transmission systems; Arrangements for fault measurement of transmission systems using an in-service signal using measurements of the data signal
    • H04B10/0795—Performance monitoring; Measurement of transmission parameters
    • H04B10/07953—Monitoring or measuring OSNR, BER or Q
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    • H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
    • H04B10/114—Indoor or close-range type systems
    • H04B10/116—Visible light communication

Definitions

  • the present invention relates to a method for transmitting and receiving signals in a wireless optical communication system, and to a transmitting terminal and a receiving terminal therefor, and more particularly, comprising adaptively adjusting an orbital angular momentum (OAM) step. It relates to a method of transmitting and receiving signals.
  • OAM orbital angular momentum
  • the optical wireless communication system can be largely divided into a visible light communication (VLC) and a free space optical communication (FSO) system according to a frequency and purpose of a photon.
  • VLC visible light communication
  • FSO free space optical communication
  • Visible Light Communication plays the role of lighting and communication at the same time.
  • Information is transmitted through light having a band corresponding to visible light, and information may be transmitted by light intensity or flicker of light.
  • a commonly used device is a visible light device such as an LED.
  • Free Space Optical communication mainly plays a role of communication, and is mainly used in free space or in an environment (Line Of Sight, LOS) where signal straightness is guaranteed.
  • LOS Line Of Sight
  • UV ultraviolet
  • InfraRed, IR infrared
  • Devices that are generally used are devices that utilize not only LEDs but also linearity of light such as LASER.
  • the technical problem to be achieved in the present invention is to provide a method of transmitting and receiving a signal in a wireless optical communication system capable of ensuring decoding performance of a receiving terminal regardless of the influence of an external interference light source in order to solve the above-described problem.
  • a method of transmitting a signal by a transmitting terminal in a wireless optical communication system includes transmitting a first optical signal including a reference signal to a receiving terminal in which a communication link with the transmitting terminal is established, the It may include receiving feedback information on the first optical signal from a receiving terminal, and transmitting a second optical signal to the receiving terminal based on the feedback information.
  • an Orbital Angular Momentum (OAM) mode of the second optical signal may be selected based on the feedback information.
  • OFAM Orbital Angular Momentum
  • the feedback information includes a radius of an area in which a desired signal is detected in the photodiode array of the receiving terminal, and the OAM mode of the second optical signal is selected based on the radius of the area. Can be.
  • a method of transmitting a signal by a transmitting terminal is to transmit a first optical signal including a reference signal to a receiving terminal with a communication link established with the transmitting terminal, and the receiving terminal through a distance measuring sensor Measuring a distance, selecting an Orbital Angular Momentum (OAM) mode of the second optical signal based on the measured distance, and transmitting the second optical signal to the receiving terminal.
  • OAM Orbital Angular Momentum
  • the distance measurement sensor may include a radar (RAdio Detection And Ranging, RADAR) or a LiDAR (Light Detection And Ranging, LiDAR).
  • RADAR Radio Detection And Ranging
  • LiDAR Light Detection And Ranging
  • a method of receiving a signal by a receiving terminal includes receiving a first optical signal including a reference signal from a transmitting terminal on which a communication link is established, and providing feedback information on the first optical signal to the transmitting terminal. It may include transmitting, and receiving a second optical signal based on the feedback information from the transmitting terminal.
  • the feedback information may be generated based on measuring a radius of a photodiode array region in which a desired signal is detected based on a reference coordinate of the photodiode array.
  • the feedback information may be generated further based on measuring a radius of a photodiode array region in which an interference signal is detected based on a reference coordinate of the photodiode array.
  • the feedback information may include requesting to increase or decrease an Orbital Angular Momentum (OAM) mode index of the first optical signal.
  • OAM Orbital Angular Momentum
  • the method of transmitting and receiving signals in a wireless optical communication system according to an aspect of the present invention has a technical effect of removing or mitigating interference from an interference optical source including sunlight.
  • a method of transmitting and receiving a signal in a wireless optical communication system includes i) adaptive change of the OAM mode through feedback of the receiving terminal, ii) adaptation of the OAM mode based on the transmitting terminal sensing the receiving terminal. It has a technical effect of guaranteeing the reception efficiency of the receiving terminal through the enemy change.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a system for implementing the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing an exemplary structure of a subframe in which a data channel and a control channel are TDM.
  • 3 to 4 are views for explaining a single carrier modulation (SCM) method of visible light communication.
  • SCM single carrier modulation
  • MCM multi-carrier modulation
  • FIG. 6 is a diagram for explaining an OFDM modulation structure at a transmitting end of a conventional RF communication system.
  • FIG. 7 to 8 are diagrams for explaining the structure of an MCM transmitter in a visible light communication system.
  • CSK color-shift keying
  • 10 to 11 are diagrams illustrating an entire color space according to wavelength and a specific color space that can be expressed according to characteristics of a device.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining a method of modulating a binary digital signal in a color space.
  • 13 is a diagram for explaining the application of CSK modulation to MCM.
  • 14 to 16 are diagrams illustrating a wireless optical communication system according to an example or implementation example of the present invention.
  • 17 to 21 are diagrams for explaining an optical filter applicable to a wireless optical communication system according to an example or implementation example of the present invention, and obtaining a desired beam using the same.
  • 22 to 24 are diagrams for explaining beam dispersion according to characteristics of optical resources used by a wireless optical communication system according to an example or implementation example of the present invention.
  • 25 to 35 are views for explaining a feedback based OAM mode selection method of a wireless optical communication system according to an example or implementation example of the present invention.
  • FIG. 36 is a diagram for describing a sensing based OAM mode selection method of a wireless optical communication system according to an example or implementation example of the present invention.
  • FIG. 37 is a view for explaining a feedback and sensing based OAM mode selection method of a wireless optical communication system according to an example or implementation example of the present invention.
  • 38 is a view for explaining signal transmission and reception between a transmitting terminal and a receiving terminal of a wireless optical communication system according to an example or implementation example of the present invention.
  • the terminal collectively refers to a mobile or fixed user-end device, such as a user equipment (UE), a mobile station (MS), and an advanced mobile station (AMS).
  • UE user equipment
  • MS mobile station
  • AMS advanced mobile station
  • the base station collectively refers to any node of a network end communicating with the terminal, such as Node B, eNode B, Base Station, AP (Access Point), and gNode B (gNB).
  • a user equipment can receive information from a base station through a downlink, and the terminal can also transmit information through an uplink.
  • Information transmitted or received by the terminal includes data and various control information, and various physical channels exist according to the type and purpose of information transmitted or received by the terminal.
  • CDMA code division multiple access
  • FDMA frequency division multiple access
  • TDMA time division multiple access
  • OFDMA orthogonal frequency division multiple access
  • SC-FDMA single carrier frequency division multiple access
  • CDMA may be implemented with a radio technology such as Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) or CDMA2000.
  • TDMA may be implemented with radio technologies such as Global System for Mobile communications (GSM)/General Packet Radio Service (GPRS)/Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE).
  • GSM Global System for Mobile communications
  • GPRS General Packet Radio Service
  • EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution
  • OFDMA may be implemented with a wireless technology such as IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.16 (WiMAX), IEEE 802-20, and E-UTRA (Evolved UTRA).
  • UTRA is a part of Universal Mobile Telecommunications System (UMTS).
  • 3rd Generation Partnership Project (3GPP) long term evolution (LTE) employs OFDMA in downlink and SC-FDMA in uplink as part of Evolved UMTS (E-UMTS) using E-UTRA.
  • LTE-A Advanced is an evolved version of 3GPP LTE.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a system for implementing the present invention.
  • a wireless communication system includes a base station (BS) 10 and one or more terminals (UE) 20.
  • the transmitter may be part of the BS 10 and the receiver may be part of the UE 20.
  • the BS 10 may include a processor 11, a memory 12, and a transceiver 13.
  • the processor 11 may be configured to implement the UE 20 proposed procedures and/or methods described in this application.
  • the memory 12 is coupled with the processor 11 to store various pieces of information for operating the processor 11.
  • the transceiver 13 may include a radio frequency (RF) unit, and is combined with the processor 11 by controlling the RF unit to transmit and/or receive a radio signal.
  • RF radio frequency
  • the UE 20 may include a processor 21, a memory 22 and an RF unit 23 (transmitter and receiver).
  • the processor 21 may be configured to implement the proposed procedure and/or method described in this application.
  • the memory 22 is coupled with the processor 21 to store various pieces of information for operating the processor 21.
  • the RF unit 23 is coupled with the processor 21 to transmit and/or receive radio signals.
  • BS 10 and/or UE 20 may have a single antenna and multiple antennas. When at least one of the BS 10 and the UE 20 has multiple antennas, the wireless communication system may be referred to as a multiple input multiple output (MIMO) system.
  • MIMO multiple input multiple output
  • the processor 21 of the terminal and the processor 11 of the base station process signals and data, excluding functions and storage functions for receiving or transmitting signals by the terminal 20 and the base station 10, respectively.
  • the processors 11 and 21 are not specifically mentioned below. Even if there is no particular mention of the processors 11 and 21, it can be said that a series of operations such as data processing are performed rather than a function of receiving or transmitting a signal.
  • the present invention proposes a new and diverse frame structure for a fifth generation (5G) communication system.
  • 5G fifth generation
  • scenarios can be classified into enhanced mobile broadband (eMBB), ultra-reliable machine-type communications (uMTC), and massive machine-type communications (mMTC).
  • eMBB enhanced mobile broadband
  • uMTC ultra-reliable machine-type communications
  • mMTC massive machine-type communications
  • I can.
  • the improved mobile broadband is a next-generation mobile communication scenario with features such as high spectrum efficiency, high user experience data rate, and high peak data rate.
  • High-reliability machine-type communication is a next-generation mobile communication scenario with characteristics such as ultra reliable, ultra low latency, and ultra high availability (e.g., V2X, Emergency Service, Remote Control), large-scale machine-type communication is a next-generation mobile communication scenario with characteristics of Low Cost, Low Energy, Short Packet, and Massive Connectivity (e.g., IoT ).
  • FIG. 2 is a diagram showing an exemplary structure of a subframe in which a data channel and a control channel are TDM.
  • a structure in which the control channel and the data channel as shown in FIG. 2 are time division multiplexed (TDM) may be considered as one of the frame structures. .
  • the shaded region represents a transmission region of a physical downlink control channel (PDCCH) for DCI (Downlink Control Information) delivery, and the last symbol is a physical uplink for UCI (Uplink Control Information) delivery.
  • a physical uplink for UCI Uplink Control Information
  • the DCI which is the control information transmitted by the eNB to the UE, may include information about the cell configuration that the UE needs to know, DL specific information such as DL (Downlink) scheduling, and UL specific information such as UL (Uplink) grant. have.
  • the UCI which is control information transmitted by the UE to the base station, may include an ACK/NACK report of HARQ for DL data, a CSI report for a DL channel state, and a scheduling request (SR).
  • SR scheduling request
  • a DL or UL section may be flexibly set for DL/UL flexibility.
  • it may be used as a data channel for DL data transmission (e.g., a physical downlink shared channel), or a data channel for UL data transmission (e.g., a physical uplink shared channel) (Physical Uplink Shared CHannel, PUSCH)) may be used.
  • the characteristic of this structure is that DL transmission and UL transmission are sequentially performed in one subframe, so that the eNB transmits DL data in the subframe, and the HARQ ACK/NACK signal for the DL data can be received from the UE. .
  • the time required to retransmit data when a data transmission error occurs is reduced, and thus, the latency of the final data transmission can be minimized.
  • this self-contained subframe structure there is a need for a time gap for the base station and the UE to switch from a transmission mode to a reception mode or a process to switch from a reception mode to a transmission mode.
  • some OFDM symbols at the time point at which the DL to UL is switched in the self-contained subframe structure is set as a guard period (GP).
  • VLC Visible Light Communication
  • SCM single carrier modulation
  • OOK On-Off Keying
  • PPM Pulse Position Modulation
  • MCM multi-carrier modulation
  • MCM multi-tone modulation
  • DCO-OFDM This is a Hermitian symmetrically modulated symbol in the first subcarrier mapping format shown in FIG. 5.
  • Arranging hermitian symmetrically means arranging symbols in the form of conjugates in the left and right mirror symmetry with the DC subcarrier as the boundary. This arrangement method transforms the signal into a real value signal in the time domain.
  • DCO-OFDM is a method of making a unipolar time domain signal by biasing a signal as much as it corresponds to a minimum value in the time domain (eg, a negative value with a maximum amplitude).
  • ACO-OFDM This is the second subcarrier mapping type shown in FIG. 5, in which half of the modulated symbols in DCO-OFDM are arranged in a Hermitian symmetric manner while emptying a predetermined interval. This subcarrier mapping causes the waveform to be in the form of a real value signal in the time domain, and the sign is repeatedly displayed in an inverted form.
  • ACO-OFDM is a method of making a unipolar time domain signal by zero clipping a waveform that appears repeatedly.
  • PAM-DMT This is the third subcarrier mapping type shown in FIG. 5, and is arranged by flipping a real value signal based on the center of an imaginary part in a PAM type. This subcarrier mapping makes a waveform in the time domain in the form of a real value signal, and a repetitive signal appears in a mirror-symmetric form in which the sign is inverted.
  • PAM-DMT is a method of making a final unipolar time domain signal through zero clipping.
  • Table 1 is for describing the performance measurement of each of the above-described DCO-OFDM, ACO-OFDM, and PAM-DMT methods.
  • Elements of the performance measurement may be, for example, Spectral Efficiency (SE), Peak-to-Average Power Ratio (PAPR), Signal-to-Noise Ratio (SNR), and Bit Error Rate (BER).
  • SE Spectral Efficiency
  • PAPR Peak-to-Average Power Ratio
  • SNR Signal-to-Noise Ratio
  • BER Bit Error Rate
  • DCO-OFDM has half the SE for Hermitian symmetry, but this can be regarded as the most optimal SE in unipolar OFDM.
  • DCO OFDM has a disadvantage in that the SNR characteristic is deteriorated as the power portion carried by the signal in the actual transmission power is reduced due to the bias.
  • the DC bias value is a constant value and does not affect the performance when modulated symbol detection is performed at the receiving end.
  • ACO-OFDM has a disadvantage of having half the SE of DCO OFDM. However, since a DC bias is not required, all transmission power is carried on a desired signal, so it has relatively good SNR characteristics.
  • PAM DMT has the same characteristics as ACO OFDM.
  • PAM DMT uses an amplitude of one dimension rather than using a quadrature complex symbol during modulation, there is a disadvantage in that the BER performance is lower than ACO OFDM due to the distance characteristic between symbols. .
  • FIG. 6 is a diagram for explaining an OFDM modulation structure at a transmitter side of a conventional RF communication system.
  • an analog signal subjected to OFDM modulation is amplified through an RF Power Amplifier (PA).
  • PA RF Power Amplifier
  • the maximum amplification size of the signal may be limited by the performance limitation of the PA.
  • FIG. 7 shows a structure of a DCO-OFDM modulation transmitter in a VLC communication system
  • FIG. 8 shows a structure of an ACO-OFDM modulation transmitter in a VLC communication system.
  • a voltage amplifier, a V-to-I (Voltage to Current) Transducer, and an E-to-O (Electrical to Optical) Device are all non-linear. ) It is a device with characteristics. Thus, the modulated analog signal is amplified and converted.
  • dimming control through DC biasing is exemplified, and dimming control may be performed through signal reconstruction in the case of based on reverse polarity.
  • CSK modulation is a method that can express a digital signal by a combination of colors based on the color characteristics of a light source. For example, when a digital signal is generated as shown in FIG. 9, the digital signal is converted into an (x, y) color space signal through color coding. The converted (x, y) color space signal is transmitted through a colored light source.
  • the color space may be defined as shown in FIG. 10, and the chromaticity distribution table may follow the CIE 1931 color space (IEEE 802.15.7).
  • the outer curved boundary line corresponds to monochromatic light, and the wavelength of each monochromatic light is indicated in nanometers.
  • the colors displayed in FIG. 10 may vary slightly depending on the color space of the color display device. No device known in the art can accurately represent all the colors shown in FIG. 10. That is, as illustrated in FIG. 11, a color area that can be expressed according to the class of the equipment may be different.
  • one color when it is not monochromatic light, it may be generated by mixing a plurality of color light sources (eg, LEDs).
  • the color point (x, y) is transformed by RGB.
  • each value of R, G, and B is converted into X, Y, and Z values, and corresponds to (x, y) values in the color space.
  • a binary bit stream corresponding to a star may be defined as shown in [Table 2] below. That is, it is possible to modulate a signal based on a characteristic of a Euclidean distance in a color space.
  • the transmitter i) transmits the analog signal generated through the OFDM modulator to each value of R, G, and B corresponding to the (x, y) coordinates in the color space through the respective light source, the LED. optical source), and ii) transmits it through an optical channel.
  • the receiving end ii) receives a signal through a photodiode, ii) converts an analog signal into a digital signal through an OFDM demodulator, and iii) converts each signal of R, G, and B into the color space (x,y).
  • the signal is decoded by (x, y) values.
  • the data transmission method using the conventional wireless optical communication system described with reference to FIGS. 3 to 13 has a problem in that it is difficult to guarantee decoding performance at the receiving end due to the influence of an external interference light source.
  • interference from strong sunlight can significantly reduce the decoding performance of the receiver. Therefore, there is a need for a method of transmitting and receiving a signal in a wireless optical communication system that is robust against external interference.
  • a method of minimizing interference based on the orbital angular momentum of photons in wireless optical communication is proposed.
  • a transmitting end transmits wireless light
  • a receiving end has a basic structure for decoding it.
  • the wireless optical communication system according to an example or implementation example of the present invention may be implemented with the structure shown in FIG. 14.
  • a transmitter converts data to be transmitted (eg, an electrical signal) into a photonic source through an E-to-O device and transmits it to a receiver through a wireless environment.
  • the optical resource may be referred to as wireless light.
  • the wireless light can be interpreted as a wave corresponding to a set of photons, and can be divided into a plane wave and a spherical wave according to the shape of the wave front.
  • a plane wave is a wave whose wavefront is straight or plane, and may be artificially generated by resonance, such as a laser beam.
  • a spherical wave is a wave in which the wave surface forms a concentric spherical surface around the wave circle when the wave circle is a point in space.
  • the wavefronts are almost parallel, so it can be regarded as a plane wave from the viewpoint of the receiving end.
  • the receiving end includes i) an optical filter to select the wireless light used for the desired optical signal, ii) an O-to-E (Optical to Electrical) device that converts the wireless light into an electrical signal and iii) the signal.
  • the desired optical signal can be decoded into data through direct detection for interpretation.
  • the transmitting end i) transmits data to be transmitted (eg, electrical signal) as an optical source through an E-to-O device. And ii) generating an optical beam through an optical beam generator and transmitting it to a receiver in a wireless environment.
  • data to be transmitted eg, electrical signal
  • wireless light can be expressed as a beam in optics.
  • the optical beam is converted to a transverse electromagnetic field/wave mode (TEM mode) corresponding to a resonant mode among transverse modes of electromagnetic radiation.
  • TEM mode transverse electromagnetic field/wave mode
  • the TEM mode can be divided into exponents l and m as TEM lm according to the beam formation method.
  • the basic form of TEM mode is generally a Gaussian beam, which is expressed as TEM 00 .
  • TEM 00 is an optical beam in which a wave amplitude distribution on a cross section perpendicular to the optical axis is expressed by a Gaussian function.
  • a desired optical beam containing data When a desired optical beam containing data is received by the receiving end in a wireless environment, i) interference from other sources, ii) solar interference from the sun is received together with the desired optical beam do.
  • the receiving end performs i) an optical filter to select the wireless light used for the desired optical beam, ii) an O-to-E device that converts the wireless light into an electrical signal, and iii) direct detection to interpret the signal.
  • the desired optical beam is decoded into data.
  • OAM orbital angular momentum
  • Electromagnetic waves are composed of an electric field and a magnetic field, and an angular momentum can be defined according to a change in the direction of the electric field.
  • an angular momentum can be defined according to a change in the direction of the electric field.
  • linear polarization the case where the change in the direction of the electric field vibrates perpendicular to the propagation direction.
  • circular polarization the case where the change in the direction of the electric field rotates around the propagation direction.
  • phasefront A wavefront through which electromagnetic waves (or photons) propagate at the same time is called a phasefront, and a plane phasefront (or plane wave) means that all electromagnetic waves have the same phase in the wavefront propagating at the same time.
  • SAM spin angular momentum
  • OAM orbital angular momentum
  • the electromagnetic wave at each point may be linearly polarized or circularly polarized.
  • OAM can be called Laguerre-Gaussian modes (eg, LG beam) or Cylindrical transverse mode patterns TEM (pl) by optical definition.
  • OAM mode 3 is TEM(03).
  • both a radio source and a photon source are electromagnetic waves.
  • frequency bands of radio resources and optical resources are exemplarily limited as follows.
  • Radio resources are several terahertz (Tera Hertz) or less, and are defined as a band considered in a general wireless communication system.
  • the optical resource exceeds several terahertz and is defined as a band (eg, infrared, ultraviolet, visible light, etc.) considered in the wireless optical communication system.
  • the method illustrated in the present invention can be applied equally to x-rays and gamma rays.
  • a method of transmitting and receiving a wireless optical communication system based on Photon OAM is proposed. Specifically, an initial access based on a legacy link and an initial access based on a broadcast message will be described.
  • the transmitting terminal and the receiving terminal may share initial information for wireless optical communication through a legacy link (eg, LTE, LTE-A, NR, WiFi, Bluetooth).
  • Initial information for wireless optical communication may include the following.
  • Band for transmission and reception This may mean a frequency band for transmission and reception of data and control information or a wavelength range of light.
  • Polarization for transmission and reception This may mean a direction of polarization for transmission and reception of data and control information. For example, transmission and reception of data and control information only through vertical polarization for interference control may be promised between a transmitting terminal and a receiving terminal.
  • OAM mode for transmission and reception This may mean an OAM mode index for transmission and reception of data and control information.
  • Baseband modulation for transmission and reception This may mean a baseband modulation method for transmission and reception of data and control information.
  • OOK On/Off Keying
  • OFDM OFDM
  • the transmitting terminal and the receiving terminal can share initial information based on the broadcast message.
  • the transmitting terminal and the receiving terminal broadcast a pre-promised broadcast message through optical resources or radio resources, such as a method corresponding to the LTE/LTE-A PBCH or Common Control Channel, to perform wireless optical communication. You can share initial information for it.
  • Initial information for wireless optical communication may be as follows.
  • Band for transmission and reception This may mean a frequency band for transmission and reception of data and control information or a wavelength range of light.
  • Polarization for transmission and reception This may mean a direction of polarization for transmission and reception of data and control information. For example, transmission and reception of data and control information only through vertical polarization for interference control may be promised between a transmitting terminal and a receiving terminal.
  • OAM mode for transmission and reception This may mean an OAM mode index for transmission and reception of data and control information.
  • Baseband modulation for transmission and reception This may mean a baseband modulation method for transmission and reception of data and control information.
  • OOK On/Off Keying
  • OFDM OFDM
  • a transmitting terminal that transmits a signal using a photon orbital angular momentum beam generator, ii) a desired orbital angular momentum beam (desired OAM) beam) and optical interference (optical interference), a system including a receiving terminal using an optical filter is proposed. According to the proposed system, it is possible to minimize interference from sunlight or other sources having the same band and same polarization as the desired optical beam.
  • TEM modes When wireless light is interpreted as electromagnetic waves, TEM modes can be classified according to the shape of the beam.
  • the basic form of the TEM mode is generally a Gaussian beam, which is expressed as TEM 00 .
  • Hermite-Gaussian (HG) mode with rectangular transverse mode patterns is expressed as TEM mn .
  • Laguerre-Gaussian (LG) mode with Cylindrical transverse mode patterns is expressed as TEM pl .
  • the Laguerre-Gaussian (LG) mode (TEM pl ) may be expressed as Photon OAM.
  • the transmitting terminal may convert an electric source including data to be transmitted into an optical source through an E-to-O device.
  • the converted optical resource may be converted into a Photon OAM beam as follows through a photon orbit angular momentum beam generator.
  • the transmitting terminal may convert the optical resource into a Gaussian Beam (TEM 00 ) by passing it through a resonator, and then convert it into a Photon OAM Beam (TEM pl ) through a spiral phase plate.
  • TEM 00 Gaussian Beam
  • TEM pl Photon OAM Beam
  • the transmitting terminal passes the optical resource through the resonator, converts it into a Gaussian Beam (TEM 00 ), and reflects it on a phase hologram having a spiral phase pattern to reflect the Photon OAM beam (TEM pl ) Can be converted.
  • TEM 00 Gaussian Beam
  • TEM pl Photon OAM beam
  • the transmitting terminal passes the optical resource through the resonator, converts it into a Gaussian Beam (TEM 00 ), and then reflects it on a phase hologram having a Fork Diffraction pattern to convert it into a Photon OAM Beam (TEM pl ).
  • TEM 00 Gaussian Beam
  • TEM pl Phase hologram having a Fork Diffraction pattern
  • the transmitting terminal passes the optical resource through the resonator, converts it into Hermite Gaussian Beam (TEM mn ), and then passes the cylindrical Lens HG-LG mode converter (e.g., pi/2 mode converter) to pass the Photon OAM Beam. It can be converted to (TEM pl ).
  • TEM mn Hermite Gaussian Beam
  • HG-LG mode converter e.g., pi/2 mode converter
  • the optical filter provided in the receiving terminal may include a general optical filter or a polarizing filter.
  • a typical optical filter is an optical element for receiving a band corresponding to a desired optical beam.
  • the optical filter may include a filter that transmits at a constant transmittance irrespective of a wavelength, a correction filter that adjusts light intensity in a specific wavelength region, and a light contrast filter.
  • Optical filters may be classified into an infrared filter, a visible filter, an ultraviolet filter, a vacuum ultraviolet filter, and the like according to the frequency range used. Filters in each area may have different materials and structures.
  • the optical filter may be a polarized light filter.
  • the polarization filter is a filter using polarization characteristics that pass only light vibrating in a specific direction in order to receive only polarized light corresponding to a desired optical beam.
  • polarization occurs mainly when oblique projection light is reflected from a uniform surface. Therefore, if a polarizing filter is used to block light reflected from a glass window or the surface of an object, a clear and dark image can be obtained.
  • the polarization filter of the camera can be adjusted by rotating the polarization direction. When a polarization filter is used, only wavelengths that vibrate in one direction remain, so the autofocus camera may not recognize light well, and focus may be lost. A circular polarized filter solves this phenomenon.
  • the lens is a device that focuses a received optical source to a focal point using a refraction effect.
  • the photodiode array according to an exemplary embodiment of the eHSMS of the present invention refers to a form in which a plurality of light-receiving elements performing O-to-E conversion are distributed over a specific area.
  • the focus of green light in FIG. 17 is f green
  • the focus for blue light and red light is f blue and f red, respectively.
  • the receiving terminal can control the intensity of green light to be concentrated in the center of the photodiode array, and the intensity of red light to spread to a larger area, and to spread the intensity of blue light to a larger area by using these characteristics.
  • the receiving terminal can more efficiently receive a green light signal at a focus corresponding to the green light.
  • the receiving terminal may control the focus according to wavelength by i) controlling the thickness of the convex lens or the Fresnel lens, or ii) controlling the distance between the convex lens and the photodiode array.
  • an OAM optical resource passing through a lens eg, a Fresnel lens
  • a lens eg, a Fresnel lens
  • the receiving terminal can control the intensity concentration of the OAM mode received by the photodiode array.
  • OAM mode +1 controls the intensity to converge in the center of the photodiode array
  • OAM mode -1 controls the intensity to spread over a larger area
  • OAM mode +1 controls the intensity to spread over a larger area.
  • the focus of OAM mode 0 When said, the mode index Focus on silver Can be approximated by Where, constant Is the OAM dispersion coefficient.
  • the receiving terminal may control the focus according to the OAM mode by i) controlling the thickness of the lens or the Fresnel lens, or ii) controlling the distance between any lens and the photodiode array.
  • the Fresnel zone plate is a device for focusing a received light source into a focus through a diffraction effect. More specifically, the zone plate or the Fresnel zone plate is a device that focuses materials exhibiting light or wave characteristics. Unlike lenses or curved mirrors, zone plates use diffraction instead of reflection and refraction.
  • the zone plate consists of a set of radially symmetric rings known as Fresnel zones that alternate between opaque and transparent. Light hitting the zone plate is diffracted around the opaque area. The areas can be spaced apart from each other so that the diffracted light structurally interferes at the desired focal point to create an image.
  • the receiving terminal can control the intensity distribution of the optical resource received by the photodiode.
  • the Fresnel zone plate when the light source passing through the Fresnel zone plate is i) natural light such as sunlight, ii) plane wave light such as linearly polarized light or circularly polarized light, the Fresnel zone plate The intensity is concentrated in the center of the focal plane.
  • the light source passing through the Fresnel zone plate is a plane wave light and a Gaussian beam
  • the light source is based on the center of the photodiode located on the focal plane of the Fresnel zone plate. Intensity is distributed by Gaussian Distribution.
  • intensity distributions of OAM mode 0, OAM mode +3, and OAM mode +5 have different characteristics.
  • the receiving terminal causes the intensity to be gathered in a Gaussian distribution in the center of the photodiode in OAM mode 0, and in OAM mode +3 to spread the intensity in the form of a ring in a larger area, and in OAM mode +5 to a larger area.
  • the strength can be spread in the form of a ring.
  • the intensity is concentrated in a very small area at the center of the photodiode. This area has a smaller area than the area in which the intensity is distributed by Gaussian distribution at the center of the photodiode of OAM mode 0.
  • the receiving terminal may control the intensity distribution of optical resources received by the photodiode by i) controlling a pattern according to the ring configuration of the Fresnel zone plate or ii) controlling the distance between the Fresnel zone plate and the photodiode.
  • the photon sieve is a device for focusing a received light source into focus through diffraction and interference effects.
  • the photon sheave consists of a flat sheet filled with pinholes arranged in a pattern similar to the rings of the Fresnel zone plate described above, but can provide a much sharper focus than the zone plate. Since the photon sheave is manufactured to include pinholes having various sizes and patterns, the characteristics of the focusing operation can be changed to suit the application, and thus can be used in various ways.
  • the receiving terminal can control the intensity distribution of the optical resource received from the photodiode based on i) wave characteristics of the optical resource passing through the photon sieve or ii) the intensity distribution at the focal plane depending on the OAM mode index. have.
  • the light source passing through the photon sheave is i) natural light such as sunlight, ii) plane wave light such as linearly polarized light or circularly polarized light, the center of the photodiode array located on the focal plane of the photon sheave The intensity of the optical resource is concentrated on.
  • the optical resource passing through the photon sieve is a plane wave light and a Gaussian beam
  • the optical resource is a Gaussian distribution based on the center of the photodiode array located on the focal plane of the photon sieve ( Gaussian Distribution).
  • the characteristics of the OAM state are maintained based on the center of the photodiode array located on the focal plane of the photon sheave.
  • the strength is distributed in the form of a ring.
  • intensity distributions of OAM mode 0, OAM mode +3, and OAM mode +5 in FIG. 20 have different characteristics.
  • the receiving terminal causes the intensity to be gathered in a Gaussian distribution in the center of the photodiode in OAM mode 0, and in OAM mode +3 to spread the intensity in the form of a ring in a larger area, and in OAM mode +5 to a larger area.
  • the strength can be spread in the form of a ring.
  • the intensity is concentrated in a very small area at the center of the photodiode array. This area has a smaller area than a Gaussian distribution area in the center of the OAM mode 0 photodiode array.
  • the receiving terminal may control the intensity distribution of the optical resources received by the photodiode array by i) controlling a pattern according to the pinhole configuration of the photon sheave or ii) controlling the distance between the photon sheave and the photodiode array.
  • the phase mask is a device that controls a propagation direction according to a characteristic of a received light source through a diffraction effect, and is composed of an optical element.
  • the receiving terminal is based on i) the wave characteristics of the optical resource passing through the phase mask (or pattern mask) or ii) the intensity of the optical resource received by the photodiode array based on the characteristic that the propagation direction of the beam changes according to the OAM mode index.
  • the distribution position can be controlled.
  • the intensity distribution positions of OAM mode 0, OAM mode +2, OAM mode -2, and OAM mode +3 are different.
  • the intensity distribution of OAM mode 0 is the same as the plane wave of OAM mode 0
  • Intensities may be distributed in a third quadrant on a receiving plane.
  • the lens serves to focus the light source passing through the phase mask at the receiving surface.
  • the receiving terminal i) controls the phase elements constituting the phase mask or ii) controls the distance between the phase mask and the photodiode array, the phase mask and the lens, and the lens and the photodiode array. It is possible to control the position of the intensity distribution of the received optical resource.
  • two or more optical filters are combined to obtain respective properties in a complex manner.
  • the receiving terminal i) receives a specific wavelength with a general optical filter to control the reception wavelength, ii) receives the desired polarization through a polarization filter, and iii) transmits wave light through a photon sieve.
  • Plane wave and helical wave modes can be classified according to their characteristics.
  • wireless light has a characteristic of beam divergence according to the characteristic of an optical/photon source.
  • a method of selecting an OAM mode between a transmitting terminal and a receiving terminal using beam dispersion characteristics of wireless light is proposed.
  • the dispersion angle of the Gaussian beam may be defined as in [Equation 2] below.
  • k o is a wavevector of 2pi/lambda
  • w o may be different according to a method of forming a beam with a minimum beam waist.
  • FIGS. 23 to 24 are diagrams for explaining a dispersion angle of an LG beam in a far field.
  • the dispersion angle of the LG beam can be described through [Equation 3] to [Equation 5] below.
  • [Equation 3] indicates a case where w o is fixed
  • [Equation 4] indicates a case where r rms (0) is fixed.
  • k o is a wavevector of 2pi/lambda
  • w o may be different according to a method of forming a beam with a minimum beam waist, and may have the same relationship as in [Equation 5].
  • the beam size (eg, beam radius) of the receiving terminal is different according to the distance between the transmitting terminal and the receiving terminal.
  • the receiving terminal needs to receive the total optical resource (optical/photon source) of the transmitted beam from the transmitting terminal. Therefore, a method of appropriately controlling the dispersion angle of the beam using the characteristics of the beam described above is need.
  • the transmitting terminal may transmit data through a desired optical beam, for example, TEMpl, using the method promised in "1.
  • Photon OAM-based wireless optical communication transmission/reception procedure" 25 is a diagram illustrating a transmitting terminal and a receiving terminal according to an example or implementation example of the present invention.
  • the transmitting terminal may transmit a periodic (or aperiodic) reference signal in a manner promised to the receiving terminal.
  • the receiving terminal passes a desired optical beam (eg, TEMpl) through an optical filter according to the method promised in "2.
  • Photon OAM-based wireless optical communication transmission/reception device" -E Can be received through Device.
  • the receiving terminal may measure a photodiode array area for a desired beam and measure a beam radius based on a reference signal. In this case, the receiving terminal may determine the photodiodes within the threshold value among the photodiodes corresponding to the desired beam as desired photodiodes based on the average intensity. This can be expressed as [Equation 6] below.
  • D represents a set of photodiodes corresponding to the desired beam zone
  • represents the number of photodiodes corresponding to the desired beam zone
  • the receiving terminal measures a beam radius (ie, R d ) from the determined “desired photodiodes”.
  • R d the desired photodiodes may be distributed at a point other than the center (x 0 , y 0 ) of the photodiode array, for example (x n , y n ). In this case, the receiving terminal may infer R d based on the measured pattern.
  • the receiving terminal may measure a photodiode array area for an interference beam and measure a beam radius based on a measured intensity. For example, the receiving terminal may determine a photodiode having an intensity exceeding a preset threshold as an interference photodiode. The receiving terminal may measure a beam radius (eg, R i ) from the determined interfering photodiodes. Meanwhile, as illustrated in FIG. 29, the interfering photodiodes may be distributed at a point other than the center (x 0 , y 0 ) of the photodiode array, for example (x m , y m ). In this case, the receiving terminal may infer R i based on the measured pattern.
  • a beam radius eg, R i
  • measuring the photodiode array area and the beam radius based on the measured intensity by the receiving terminal is not essential in an example or implementation example of the present invention, and may be selectively performed.
  • the receiving terminal may feed back information on the measured beam radius to the transmitting terminal.
  • the receiving terminal may feed back information on the beam radius to the transmitting terminal through a feedback channel (eg, PUCCH or PUSCH of LTE/LTE-A/NR).
  • a feedback channel eg, PUCCH or PUSCH of LTE/LTE-A/NR.
  • the information fed back may be at least one of i) a beam radius R d of a desired beam and a reference coordinate (x n , y n ), ii) a beam radius R i of an interference beam and a reference coordinate (x m , y m ).
  • the information fed back may be i) transmitted by the receiving terminal in the form of data, ii) transmitted as quantized information, or iii) transmitted as an index by a predefined lookup table. Meanwhile, the receiving terminal may estimate the OAM mode index to be requested and transmit it to the transmitting terminal through feedback information.
  • the receiving terminal may request OAM mode index up or OAM mode index down through information fed back.
  • OAM mode index up can be requested through the feedback of the receiving terminal.
  • FIG. 31 shows that when the size of the radius of the desired beam is appropriate, but the interference beam is tilted and is not well distinguished from the desired beam, an OAM mode index up may be requested through feedback of a receiving terminal.
  • FIG. 32 a desired beam and an interference beam are well distinguished, but if the beam radius of the desired beam is large, the receiving terminal may request OAM mode index down.
  • 33 shows that, unlike FIG. 31, when the OAM mode index up is requested in a situation where the size of the radius of the desired beam is appropriate, but the interference beam is tilted and thus, unlike FIG. 31, the receiving terminal OAM mode index down can be requested through feedback of.
  • FIG. 34 shows that when a desired beam is tilted and is out of a reception area and is not well distinguished from an interference beam, an OAM mode index down may be requested through feedback from a receiving terminal.
  • Each of the cases of FIG. 30 to FIG. 34 illustrated above may be promised by a predefined rule along with other cases not illustrated.
  • the OAM mode index up or down may be adaptively selected by comparison with the received pattern, which is predefined according to the pattern of the received desired beam and the interference beam, such as a look up table.
  • the receiving terminal may i) not deliver feedback to the transmitting terminal or ii) feed back a field or index maintaining a previously promised beam index.
  • the receiving terminal when a desired beam and an interfering beam are well separated, the receiving terminal i) does not transmit feedback to the transmitting terminal or ii) promises in advance to maintain the current index of the desired beam. It is possible to feed back a field or index that maintains the generated beam index.
  • the transmitting terminal may select the OAM mode based on the beam radius information fed back from the receiving terminal.
  • the transmitting terminal may generate an optical beam, for example, TEMpl, based on the selected OAM mode index, and transmit it to the receiving terminal.
  • an optical beam for example, TEMpl
  • the receiving terminal receives the desired optical beam (eg, TEMpl) through an optical filter through an optical filter by the method promised in "2.
  • Photon OAM-based wireless optical communication transmission/reception device can do.
  • the transmitting terminal may transmit data through a desired optical beam, for example, TEMpl, using the method promised in "1. Photon OAM-based wireless optical communication transmission/reception procedure".
  • a desired optical beam for example, TEMpl
  • the transmitting terminal may transmit a periodic (or aperiodic) reference signal in a manner promised to the receiving terminal.
  • the transmitting terminal measures the distance to the target receiving terminal based on the distance measuring sensor.
  • the distance measurement sensor may include, for example, a radar (RAdio Detection And Ranging, RADAR), and a LiDAR (Light Detection And Ranging, LiDAR).
  • the transmitting terminal may select an OAM mode based on the measured distance information.
  • the transmitting terminal may generate an optical beam, for example, TEMpl, based on the selected OAM mode index, and transmit it to the receiving terminal.
  • the receiving terminal receives the desired optical beam (eg, TEMpl) through an optical filter through an optical filter by the method promised in "2. Photon OAM-based wireless optical communication transmission/reception device" can do.
  • the transmitting terminal may adaptively select the OAM mode index by applying the feedback information from the receiving terminal and the distance information to the receiving terminal measured using the distance measuring sensor together.
  • the adaptively selected OAM mode index is applied to data transmission, thereby ensuring the reception efficiency of the receiving terminal.
  • 38 is a view for explaining signal transmission and reception between a transmitting terminal and a receiving terminal of a wireless optical communication system according to an example or implementation example of the present invention.
  • a method of transmitting a signal by a transmitting terminal includes transmitting a first optical signal including a reference signal to a receiving terminal having a communication link established with the transmitting terminal, and from the receiving terminal to the first optical signal.
  • Receiving the feedback information for, and based on the feedback information may include transmitting a second optical signal to the receiving terminal.
  • an Orbital Angular Momentum (OAM) mode of the second optical signal may be selected based on the feedback information.
  • OFAM Orbital Angular Momentum
  • the feedback information includes a radius of an area in which a desired signal is detected in the photodiode array of the receiving terminal, and the OAM mode of the second optical signal is selected based on the radius of the area. Can be.
  • a method of transmitting a signal by a transmitting terminal is to transmit a first optical signal including a reference signal to a receiving terminal with a communication link established with the transmitting terminal, and the receiving terminal through a distance measuring sensor Measuring a distance, selecting an Orbital Angular Momentum (OAM) mode of the second optical signal based on the measured distance, and transmitting the second optical signal to the receiving terminal.
  • OAM Orbital Angular Momentum
  • the distance measurement sensor may include a radar (RAdio Detection And Ranging, RADAR) or a LiDAR (Light Detection And Ranging, LiDAR).
  • RADAR Radio Detection And Ranging
  • LiDAR Light Detection And Ranging
  • a method of receiving a signal by a receiving terminal includes receiving a first optical signal including a reference signal from a transmitting terminal on which a communication link is established, and providing feedback information on the first optical signal to the transmitting terminal. It may include transmitting, and receiving a second optical signal based on the feedback information from the transmitting terminal.
  • the feedback information may be generated based on measuring a radius of a photodiode array region in which a desired signal is detected based on a reference coordinate of the photodiode array.
  • the feedback information may be generated further based on measuring a radius of a photodiode array region in which an interference signal is detected based on a reference coordinate of the photodiode array.
  • the feedback information may include requesting to increase or decrease an Orbital Angular Momentum (OAM) mode index of the first optical signal.
  • OAM Orbital Angular Momentum
  • the present invention can be applied industrially in various wireless communication systems such as 3GPP LTE/LTE-A and 5G systems.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
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Abstract

무선 광 통신 시스템에서 송신 단말이 신호를 송신하는 방법은 상기 송신 단말과 통신 링크가 수립된 수신 단말에게 참조 신호를 포함하는 제 1 광 신호를 송신하는 것, 상기 수신 단말로부터 상기 제 1 광 신호에 대한 피드백 정보를 수신하는 것, 그리고 상기 피드백 정보에 기반하여, 상기 수신 단말에게 제 2 광 신호를 송신하는 것을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제 2 광 신호의 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum, OAM) 모드는 상기 피드백 정보를 기반으로 선택될 수 있다.

Description

무선 광 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 이를 위한 송신 단말과 수신 단말
본 발명은 무선 광 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법 및 이를 위한 송신 단말과 수신 단말에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum, OAM) 단계를 적응적으로 조절하는 것을 포함하는 신호의 송수신 방법에 관한 것이다.
무선 광 통신 (optical wireless communication) 시스템은 광자(photon)이 가지는 주파수와 목적에 따라 크게 가시광 통신(visible light communication, VLC)과 자유 공간 광통신 (free space optical communication, FSO) 시스템으로 나눌 수 있다.
가시광 통신 (Visible Light Communication, VLC)은 조명의 역할과 통신의 역할을 동시에 한다. 가시광에 해당하는 대역을 가지는 빛을 통해 정보를 전달하며, 정보의 전달은 빛의 세기 또는 빛의 깜박거림에 의해 전달될 수 있다. 일반적으로 사용되는 소자는 LED와 같은 가시광 소자이다.
자유 공간 광통신 (Free Space Optical communication, FSO communication)은 통신의 역할을 주로 하며, 자유 공간 (free space) 또는 신호의 직진성이 보장되는 환경 (Line Of Sight, LOS)에서 주로 활용된다. 가시광 뿐만 아니라, 자외선 (UltraViolet, UV)과 적외선 (InfraRed, IR)도 자유 공간 광통신의 범주에 속한다. 가시광 통신과 달리 조명의 기능을 하지 않아, 조명에 대한 제한 조건이 없다. 일반적으로 사용되는 소자는 LED 뿐만 아니라, LASER와 같은 빛의 직진성을 활용하는 소자이다.
한편, 종래의 무선 광 통신에 따른 데이터 송수신 방법은 외부 간섭 광원으로부터의 영향에 의해 수신단 복호 성능을 보장하기 어려울 수 있다. 특히, 강한 태양광으로부터의 간섭은 수신단 복호 성능을 현저히 감소시킬 수 있다. 따라서, 외부 간섭에 강인한 무선 광 통신의 송수신 방법이 필요하다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 문제를 해결하기 위해 외부 간섭 광원의 영향에 관계 없이 수신 단말의 복호 성능을 보장할 수 있는 무선 광 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 상기 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 무선 광 통신 시스템에서 송신 단말이 신호를 송신하는 방법은 상기 송신 단말과 통신 링크가 수립된 수신 단말에게 참조 신호를 포함하는 제 1 광 신호를 송신하는 것, 상기 수신 단말로부터 상기 제 1 광 신호에 대한 피드백 정보를 수신하는 것, 그리고 상기 피드백 정보에 기반하여, 상기 수신 단말에게 제 2 광 신호를 송신하는 것을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제 2 광 신호의 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum, OAM) 모드는 상기 피드백 정보를 기반으로 선택될 수 있다.
한편, 상기 피드백 정보는 상기 수신 단말의 포토다이오드 어레이에서 원하는 신호 (desired signal)가 검출되는 영역의 반경 (radius)을 포함하고, 상기 제 2 광 신호의 OAM 모드는 상기 영역의 반경을 기반으로 선택될 수 있다.
무선 광 통신 시스템에서 송신 단말이 신호를 송신하는 방법은 상기 송신 단말과 통신 링크가 수립된 수신 단말에게 참조 신호를 포함하는 제 1 광 신호를 송신하는 것, 거리 측정 센서를 통해 상기 수신 단말과의 거리를 측정하는 것, 상기 측정된 거리를 기반으로 제 2 광 신호의 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum, OAM) 모드를 선택하는 것, 그리고 상기 제 2 광 신호를 상기 수신 단말에게 송신하는 것을 포함할 수 있다.
한편, 상기 거리 측정 센서는 레이다 (RAdio Detection And Ranging, RADAR), 또는 라이다 (Light Detection And Ranging, LiDAR)를 포함할 수 있다.
무선 광 통신 시스템에서 수신 단말이 신호를 수신하는 방법은 통신 링크가 수립된 송신 단말로부터 참조 신호를 포함하는 제 1 광 신호를 수신하는 것, 상기 송신 단말에게 상기 제 1 광 신호에 대한 피드백 정보를 송신하는 것, 그리고 상기 송신 단말로부터 상기 피드백 정보에 기반한 제 2 광 신호를 수신하는 것을 포함할 수 있다.
한편, 상기 피드백 정보는 상기 포토다이오드 어레이의 기준 좌표를 기준으로 원하는 신호 (desired signal)가 검출되는 포토다이오드 어레이 영역의 반경 (radius)을 측정하는 것에 기반하여 생성될 수 있다.
한편, 상기 피드백 정보는 상기 포토다이오드 어레이의 기준 좌표를 기준으로 간섭 신호 (interference signal)가 검출되는 포토다이오드 어레이 영역의 반경 (radius)을 측정하는 것에 더 기반하여 생성될 수 있다.
한편, 상기 피드백 정보는 상기 제 1 광 신호의 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum, OAM) 모드 인덱스의 증가 또는 감소를 요청하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 무선 광 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법은 태양광을 포함하는 간섭 광원 (interference optical source)으로부터의 간섭을 제거 또는 완화할 수 있는 기술적 효과를 갖는다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 무선 광 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 방법은 i) 수신 단말의 피드백을 통한 OAM 모드의 적응적 변경, ii) 송신 단말이 수신 단말을 센싱하는 것에 기반한 OAM 모드의 적응적 변경을 통해 수신 단말의 수신 효율을 보장하는 기술적 효과를 갖는다.
본 발명에서 얻은 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명을 구현하기 위한 시스템을 예시한 도면이다.
도 2는 데이터 채널과 제어 채널이 TDM된 서브프레임의 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 4는 가시광 통신의 싱글 캐리어 모듈레이션 (Single Carrier Modulation, SCM) 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 가시광 통신의 멀티 캐리어 모듈레이션 (Multi Carrier Modulation, MCM) 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 종래의 RF 통신 시스템의 송신단 측면에서의 OFDM 모듈레이션 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 8은 가시광 통신 시스템의 MCM 송신단 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 컬러-쉬프트 키잉 (Color-Shift Keying, CSK) 모듈레이션을 설명하기 위한 도면이다.
도 10 내지 도 11은 파장에 따른 전체 색 공간 및 장치의 특성에 따라 표현할 수 있는 특정 색 공간을 나타낸 도면이다.
도 12는 색 공간 상에서 바이너리 디지털 신호를 변조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 CSK 모듈레이션을 MCM에 적용한 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 14 내지 도 16은 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 무선광 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 17 내지 도 21는 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 무선광 통신 시스템에 적용될 수 있는 광학 필터 및 이를 이용한 원하는 빔 (desired beam) 획득을 설명하기 위한 도면이다.
도 22 내지 도 24는 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 무선광 통신 시스템이 이용하는 광학 자원의 특성에 따른 빔 분산을 설명하기 위한 도면이다.
도 25 내지 도 35는 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 무선광 통신 시스템의 피드백 기반의 OAM 모드 선택 (feedback based OAM mode selection) 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 36은 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 무선광 통신 시스템의 센싱 기반의 OAM 모드 선택 (sensing based OAM mode selection) 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 37은 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 무선광 통신 시스템의 피드백 및 센싱 기반의 OAM 모드 선택 (feedback and sensing based OAM mode selection) 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 38은 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 무선광 통신 시스템의 송신 단말과 수신 단말간의 신호 송수신을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다. 예를 들어, 이하의 상세한 설명은 이동통신 시스템이 3GPP LTE, LTE-A, 5G 시스템인 경우를 가정하여 구체적으로 설명하나, 3GPP LTE, LTE-A의 특유한 사항을 제외하고는 다른 임의의 이동통신 시스템에도 적용 가능하다.
몇몇 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다. 또한, 본 명세서 전체에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하여 설명한다.
아울러, 이하의 설명에 있어서 단말은 UE(User Equipment), MS(Mobile Station), AMS(Advanced Mobile Station) 등 이동 또는 고정형의 사용자단 기기를 통칭하는 것을 가정한다. 또한, 기지국은 Node B, eNode B, Base Station, AP(Access Point), gNode B (gNB) 등 단말과 통신하는 네트워크 단의 임의의 노드를 통칭하는 것을 가정한다.
이동 통신 시스템에서 단말(User Equipment)은 기지국으로부터 하향링크(Downlink)를 통해 정보를 수신할 수 있으며, 단말은 또한 상향링크(Uplink)를 통해 정보를 전송할 수 있다. 단말이 전송 또는 수신하는 정보로는 데이터 및 다양한 제어 정보가 있으며, 단말이 전송 또는 수신하는 정보의 종류 용도에 따라 다양한 물리 채널이 존재한다.
이하의 기술은 CDMA(code division multiple access), FDMA(frequency division multiple access), TDMA(time division multiple access), OFDMA(orthogonal frequency division multiple access), SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access) 등과 같은 다양한 무선 접속 시스템에 사용될 수 있다. CDMA는 UTRA(Universal Terrestrial Radio Access)나 CDMA2000과 같은 무선 기술(radio technology)로 구현될 수 있다. TDMA는 GSM(Global System for Mobile communications)/GPRS(General Packet Radio Service)/EDGE(Enhanced 데이터 Rates for GSM Evolution)와 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. OFDMA는 IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.16 (WiMAX), IEEE 802-20, E-UTRA(Evolved UTRA) 등과 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. UTRA는 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)의 일부이다. 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(long term evolution)는 E-UTRA를 사용하는 E-UMTS(Evolved UMTS)의 일부로서 하향링크에서 OFDMA를 채용하고 상향링크에서 SC-FDMA를 채용한다. LTE-A(Advanced)는 3GPP LTE의 진화된 버전이다.
또한, 이하의 설명에서 사용되는 특정 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.
도 1은 본 발명을 구현하기 위한 시스템을 예시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 무선 통신 시스템은 기지국(BS) (10) 및 하나 이상의 단말(UE) (20)를 포함한다. 하향링크에서, 송신기는 BS (10)의 일부일 수 있고, 수신기는 UE (20)의 일부일 수 있다. 상향링크에서, BS (10)는 프로세서 (11), 메모리 (12), 및 송수신기 (13)를 포함 할 수 있다. 프로세서 (11)는 UE (20) 본 출원에 기재된 제안된 절차들 및/또는 방법들을 구현하도록 구성될 수 있다. 메모리 (12)는 프로세서 (11)와 결합되어 프로세서 (11)를 동작시키기 위한 다양한 정보를 저장한다. 송수신기 (13)는 RF (Radio Frequency) 유닛을 포함할 수 있으며, 상기 RF 유닛을 제어하여 프로세서 (11)와 결합되어 무선 신호를 송신 및/또는 수신한다. UE (20)는 프로세서 (21), 메모리 (22) 및 RF 유닛 (23)(송신기 및 수신기)을 포함 할 수 있다. 프로세서 (21)는 본 출원에서 설명된 제안된 절차 및/또는 방법을 구현하도록 구성 될 수 있다. 메모리 (22)는 프로세서 (21)와 결합되어 프로세서 (21)를 동작시키기 위한 다양한 정보를 저장한다. RF 유닛 (23)은 프로세서 (21)와 결합되어 무선 신호를 송신 및/또는 수신한다. BS (10) 및/또는 UE (20)는 단일 안테나 및 다중 안테나를 가질 수 있다. BS (10) 및 UE (20) 중 적어도 하나가 다중 안테나를 갖는 경우, 무선 통신 시스템은 MIMO (multiple input multiple output) 시스템으로 불릴 수 있다.
본 명세서에서 단말의 프로세서(21)와 기지국의 프로세서(11)는 각각 단말(20) 및 기지국(10)이 신호를 수신하거나 송신하는 기능 및 저장 기능 등을 제외하고, 신호 및 데이터를 처리하는 동작을 수행하지만, 설명의 편의를 위하여 이하에서 특별히 프로세서(11, 21)를 언급하지 않는다. 특별히 프로세서(11, 21)의 언급이 없더라도 신호를 수신하거나 송신하는 기능이 아닌 데이터 처리 등의 일련의 동작들을 수행한다고 할 수 있다.
본 발명에서는 5세대(5G) 통신 시스템을 위한 새롭고 다양한 프레임 구조를 제안한다. 차세대 5G 시스템에서는 향상된 모바일 브로드밴드 (Enhanced Mobile BroadBand, eMBB), 고 신뢰도 기계 타입 통신 (Ultra-reliable Machine-Type Communications, uMTC), 대규모 기계 타입 통신 (Massive Machine-Type Communications, mMTC) 등으로 시나리오를 구분할 수 있다. 향상된 모바일 브로드밴드는 높은 스펙트럼 효율 (High Spectrum Efficiency), 높은 사용자 경험의 데이터 전송률 (High User Experienced Data Rate), 높은 피크 데이터 속도 (High Peak Data Rate) 등의 특성을 갖는 차세대 이동통신 시나리오다. 고 신뢰도 기계 타입 통신은 고 신뢰도 (Ultra Reliable), 초 저 지연 (Ultra Low Latency), 초 고 가용성 (Ultra High Availability) 등의 특성을 갖는 차세대 이동통신 시나리오이며 (예를 들어, V2X, Emergency Service, Remote Control), 대규모 기계 타입 통신은 저 비용 (Low Cost), 저 에너지 (Low Energy), 짧은 패킷 (Short Packet), 대규모 연결성 (Massive Connectivity) 특성을 갖는 차세대 이동통신 시나리오이다(예를 들어, IoT).
도 2는 데이터 채널과 제어 채널이 TDM된 서브프레임의 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다. 5G new RAT (NR)에서는 지연(latency)를 최소화하기 위한 목적으로서 도 2와 같은 제어 채널과 데이터 채널이 시간분할다중화(Time Division Multiplexing, TDM)되는 구조가 프레임 구조의 한 가지로서 고려될 수 있다.
도 2에서 빗금 친 영역은 DCI(Downlink Control Information) 전달을 위한 물리 하향링크 제어 채널 (Physical Downlink Control Channel, PDCCH)의 전송 영역을 나타내고, 마지막 심볼은 UCI (Uplink Control Information) 전달을 위한 물리 상향링크 제어 채널 (예를 들어, Physical Uplink Control CHannel, PUCCH)의 전송 영역을 나타낸다. 여기서 eNB가 UE에게 전달하는 제어 정보인 DCI는 UE가 알아야 하는 cell configuration 에 관한 정보, DL (Downlink) 스케쥴링 등의 DL specific한 정보, 그리고 UL (Uplink) grant 등과 같은 UL specific 정보 등을 포함할 수 있다. 또한 UE가 기지국에게 전달하는 제어 정보인 UCI는 DL data에 대한 HARQ의 ACK/NACK report, DL 채널 상태에 대한 CSI report, 그리고 SR (Scheduling Request) 등을 포함할 수 있다.
도 2에서 해칭 표시가 없는 영역은 DL/UL 유연성 (flexibility)을 위해 DL 또는 UL 구간이 유연하게 설정될 수 있다. 일 예로서, DL 데이터 전송을 위한 데이터 채널 (예를 들면, 물리 하향링크 공유 채널 (Physical Downlink Shared Channel))로 사용될 수도 있고, UL 데이터 전송을 위한 데이터 채널(예를 들면, 물리 상향링크 공유 채널(Physical Uplink Shared CHannel, PUSCH))가 사용될 수도 있다. 이러한 구조의 특징은 한 개의 서브프레임 내에서 DL 전송과 UL 전송의 순차적으로 진행되어, eNB가 서브프레임 내에서 DL 데이터를 보내고, UE로부터 상기 DL data에 대한 HARQ ACK/NACK 신호를 수신할 수 있다. 결과적으로 데이터 전송 에러 발생시에 데이터 재전송까지 걸리는 시간을 줄이게 되며, 이로 인해 최종 데이터 전달의 지연 (latency)을 최소화할 수 있다.
이러한 self-contained subframe 구조에서 기지국과 UE가 송신 모드에서 수신모드로 전환 과정 또는 수신모드에서 송신모드로 전환 과정을 위한 time gap이 필요하다. 이를 위하여 self-contained subframe 구조에서 DL에서 UL로 전환되는 시점의 일부 OFDM 심볼이 가드 구간 (Guard Period ,GP)로 설정된다.
가시광 통신 (Visible Light Communication, VLC)
가시광 시스템의 경우, 일반적으로 가시광의 깜박거림을 기반으로 신호를 표현하는 OOK (On-Off Keying)에 기반한 싱글 캐리어 모듈레이션 (Single Carrier Modulation, SCM) 방법들이 있다. 도 3 내지 도 4를 참조하면, OOK modulation 은 광원은 ON과 OFF에 따라 디지털 (digital) 신호 1 과 0을 표현하는 방식이다. OOK modulation은 클락 (clock)을 기반으로 펄스 위치로 변조시키는 Pulse Position Modulation (PPM) 등의 방식 등으로 변형될 수 있다.
가시광 통신 시스템에 있어서, 멀티 캐리어 모듈레이션 (Multi Carrier Modulation, MCM) 방법에 대한 연구가 진행되고 있다. SCM 방법과 비교할 때, MCM 방법은 다중 경로 (multipath)에 대한 강인한 특성을 갖고, 싱글 탭 이퀄라이제이션 (single tap equalization)이 가능하며, DC 원더링 (wandering)과 플리커링 간섭 (flickering interference)에 강인한 특성을 갖는다. VLC를 위한 MCM 기반의 파형은 i) one dimension (즉, real-value) 신호만을 가져야 하고, ii) 단극 (unipolar) 특성을 가져야 한다는 조건을 만족해야 한다.
전술한 조건을 만족하는 다양한 MCM 방법들이 소개된 바 있다. 이러한 MCM 방법들은 DC-biased optical OFDM (DCO-OFDM), asymmetrically clipped optical OFDM (ACO-OFDM), pulse-amplitude modulated discrete multi-tone modulation (PAM-DMT)로 분류될 수 있다. 도 5를 참조하여 이들에 대해 설명하도록 한다.
i) DCO-OFDM: 이는 도 5에 도시된 첫 번째 서브캐리어 맵핑 형태로 Hermitian symmetric하게 변조된 심볼 (modulated symbol)을 배치한다. Hermitian symmetric하게 배치하는 것은 DC subcarrier를 경계로 좌우 거울대칭에 컨쥬게이트 (conjugate) 형태로 심볼을 배치하는 것을 의미한다. 이러한 배치 방법은 시간 영역에서 신호를 실수 (real value) 신호로 변형시켜준다. DCO-OFDM은 시간 영역에서의 최소값 (예를 들면, 최대 진폭을 갖는 음수 값)에 해당되는 만큼 신호를 바이어스 시켜 최종적으로 단극 시간 영역 (unipolar time domain) 신호를 만드는 방법이다.
ii) ACO-OFDM: 이는 도 5에 도시된 두 번째 서브캐리어 맵핑 형태로서, DCO-OFDM에서의 절반의 변조된 심볼을 일정 간격 비우면서 Hermitian symmetric하게 배치하는 것이다. 이러한 서브캐리어 맵핑은 시간 영역에서 파형이 실수 신호 (real value signal)의 형태가 되도록 하며, 부호가 반전된 형태로 반복하여 나타나도록 한다. ACO-OFDM는 반복하여 나타나는 파형을 제로 클립핑 (zero clipping) 하여 최종적으로 단극 시간 영역 (unipolar time domain) 신호를 만드는 방법이다.
iii) PAM-DMT: 이는 도 5에 도시된 세 번째 서브캐리어 맵핑 형태로서, PAM 형태로 실수 (real value) 신호를 허수 부분 (imaginary part)의 가운데를 기준으로 플립 (flip)하여 배치하는 것이다. 이러한 서브캐리어 맵핑은 시간 도메인에서 파형 (waveform)을 실수 신호 (real value signal)의 형태로 만들며, 부호가 반전된 거울 대칭 형태로 반복된 신호가 나타나도록 한다. ACO-OFDM과 마찬가지로 PAM-DMT는 제로 클립핑을 통해 최종적인 단극 시간 영역 (unipolar time domain) 신호를 만드는 방법이다.
표 1은 전술한 DCO-OFDM, ACO-OFDM 및 PAM-DMT 방법 각각의 성능 측정을 설명하기 위한 것이다. 성능 측정의 요소는, 예를 들면 Spectral Efficiency (SE), Peak-to-Average Power Ratio (PAPR), Signal-to-Noise Ratio (SNR), Bit Error Rate (BER)일 수 있다.
SE SNR BER
DCO OFDM O X X
ACO OFDM X O O
PAM DMT OFDM X O △
표 1을 참조하면, DCO-OFDM의 경우 Hermitian symmetry 특성을 위해서 절반의 SE를 갖지만 이는 unipolar OFDM에서 가장 최적의 SE로 볼 수 있다. 다만 DCO OFDM은 바이어스에 의해 실제 전송 전력에서 신호에 실리는 전력 부분이 작게 됨에 따라 SNR 특성이 떨어지는 단점을 가진다. DC 바이어스 값은 상수 값으로서 수신단에서 변조된 심볼의 검출 (modulated symbol detection) 시 성능에 영향을 주지 않는다.
표 1을 참조하면, ACO-OFDM의 경우 DCO OFDM의 절반의 SE를 갖는 단점을 가진다. 하지만 DC 바이어스가 필요하지 않기 때문에 전송 전력이 모두 원하는 신호 (desired signal)에 실리기 때문에 상대적으로 좋은 SNR 특성을 가진다.
표 1을 참조하면, PAM DMT의 경우 대부분 ACO OFDM과 동일한 특성을 지닌다. 다만, PAM DMT은 변조 시 복소 심볼 (quadrature complex symbol)을 이용하기 보다는 일 차원 (one dimension)의 진폭 (amplitude)을 이용하기 때문에, 심볼간 거리 특성이 떨어져 ACO OFDM보다 BER 성능이 떨어지는 단점이 있다.
도 6은 종래의 RF 통신 시스템의 송신단 측면에서의 OFDM modulation 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 6을 참조하면, OFDM modulation을 거친 아날로그 신호는 RF Power Amplifier (PA)를 통해 증폭된다. 이 때, PA의 성능 제한에 의해 신호의 최대 증폭 크기가 제한될 수 있다.
반면, 가시광 통신 시스템의 multi-carrier modulation 송신단 구조는 도 7 내지 도 8과 같을 수 있다. 보다 구체적으로, 도 7은 VLC 통신 시스템의 DCO-OFDM modulation 송신기 구조를 나타낸 것이고, 도 8은 VLC 통신 시스템의 ACO-OFDM modulation 송신기 구조를 나타낸 것이다.
도 7 내지 도 8에서 전압 증폭기 (voltage amplifier)와 V-to-I (Voltage to Current) Transducer 그리고 E-to-O (Electrical to Optical) Device (예를 들면, LED)는 모두 비선형 (non-linear) 특성을 가지는 장치이다. 따라서, 변조를 거친 아날로그 신호는 증폭되고 변환된다. 도 7 내지 도 8에서는 DC 바이어싱 (biasing)을 통한 디밍 제어 (dimming control)를 예로 들었으며, 역 극성 (reverse polarity)을 기반으로 하는 경우에는 신호의 재구성을 통해 디밍 제어가 수행될 수 있다.
Color-Shift Keying (CSK) modulation
전술한 SCM 방식과 MCM 방식은 컬러-쉬프트 키잉 (Color-Shift Keying, CSK) 모듈레이션을 기반으로 동작할 수 있다. CSK 모듈레이션은 광원의 색 특성을 기반으로 색의 조합에 의해 디지털 신호를 표현할 수 있는 방법이다. 예를 들면, 도 9에 도시된 것과 같이 디지털 신호가 생성되면, 상기 디지털 신호는 컬러 코딩 (color coding)을 통해, (x, y) 색 공간 (color space) 신호로 변환된다. 변환된 (x, y) 색 공간 신호는 색을 가진 광원을 통해 전송된다. 색 공간은 도 10에 도시된 것과 같이 정의될 수 있고, 색도 분포표는 CIE 1931 color space를 따를 수 있다 (IEEE 802.15.7).
도 10을 참조하면, 외곽의 곡선 모양 경계선은 단색광에 해당하며, 각각의 단색광의 파장이 나노미터로 표시되어 있다. 도 10에 표시된 색깔은 색 표시 장치의 색 공간에 따라 다소 차이가 있을 수 있다. 종래에 알려진 어떠한 장치도 도 10에 표시된 모든 색을 정확하게 표현할 수는 없다. 즉, 도 11에 도시된 것과 같이 장비의 Class에 따라 표현할 수 있는 색의 영역이 다를 수 있다.
한편, 하나의 색은 단색광이 아닌 경우, 다수개의 색 광원 (예를 들면, LED)의 mixing되어 생성될 수 있다. 그 color point (x, y)는 RGB에 의해 transform된다. [수학식 1]을 참조하면, R, G, B 각 값은 X, Y, Z 값으로 변환되어, 색 공간 상에서 (x, y) 값에 대응된다.
Figure PCTKR2019007883-appb-img-000001
상기 특성을 이용하여, 바이너리 디지털 (binary digital) 신호의 변조를 수행할 수 있다. 예를 들어, 특정 장치에서 표현할 수 있는 색의 영역이 도 12에 도시된 것과 같다고 하면, 별의 표시에 대응되는 바이너리 비트 스트림 (binary bit stream)을 아래의 [표 2]과 같이 정의할 수 있다. 즉, 색 공간 상에서의 유클리디언 거리 (Euclidean distance) 특성을 기반으로 신호의 변조가 가능하다.
Figure PCTKR2019007883-appb-img-000002
전술한 방법을 MCM에 적용하면 도 13과 같이 표현할 수 있다. 즉, SCM에서와 같이 송신단은 i) 색 공간 상의 (x, y) 좌표에 해당하는 R, G, B 각각의 값에 OFDM modulator를 통해 생성된 아날로그 신호를 각각의 광원인 LED를 통해 광 자원 (optical source)으로 변환하고, ii) 이를 광 채널 (optical channel)을 통해 전송한다. 수신단에서는 ii) 포토다이오드 (photodiode)를 통해 신호를 수신하고, ii) OFDM demodulator를 통해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, iii) R, G, B 각각의 신호를 색 공간 (x,y)에 대응시킴으로써 (x, y) 값에 의해 신호를 복호한다.
도 3 내지 도 13을 통해 설명한 종래의 무선 광 통신 시스템을 이용한 데이터 전송 방법은 외부 간섭 광원의 영향으로 인해 수신단에서의 복호 성능을 보장하기 어려운 문제가 있다. 특히, 강한 태양광으로부터의 간섭은 수신단 복호 성능을 현저히 감소시킬 수 있다. 따라서, 외부 간섭에 강인한 무선 광 통신 시스템의 신호 송수신 방법이 필요하다.
본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따르면, 무선광 통신에서 광자의 궤도각운동량을 기반으로 간섭을 최소화하는 방법이 제안된다. 본 발명의 일 예 또는 구현 예에서, 송신단은 무선광을 송신하고, 수신단에서는 이를 복호하는 기본 구조를 가진다. 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 무선광 통신 시스템은 도 14에 도시된 구조로 구현될 수 있다.
도 14를 참조하면, 송신단(transmitter)은 송신하고자 하는 데이터 (예를 들면, 전기적 신호)를 E-to-O device를 통해 광학 자원 (photonic source)으로 변환하여 무선 환경을 통해 수신단에 전송한다. 상기 광 자원을 무선광이라고 할 수 있다.
여기서 무선광은 광자들의 집합에 대응하는 파동 (wave)으로 해석될 수 있고, 파면의 형태에 따라 평면파(plane wave)와 구면파 (spherical wave)로 구분될 수 있다. 평면파는 파면이 직선이거나 평면인 파로서, 예를 들면 레이저빔과 같이 공진에 의해 인위적으로 생성될 수 있다. 구면파는 파원이 공간의 한 점일 때, 파면이 파원을 중심으로 동심 구면을 이루게 되는 파동이다. 한편, 구면파는 멀리까지 전파해 갈 경우, 파면이 거의 나란해지므로 수신단의 관점에서는 평면파로 간주될 수 있다.
한편, 데이터를 포함하는 원하는 광학 신호 (desired optical signal)이 무선 환경에서 수신단에 의해 수신될 때, i) 다른 소스로부터의 간섭 (interference), ii) 태양으로부터의 태양광 간섭이 상기 desired optical signal과 함께 수신된다. 수신단은 i) desired optical signal에 사용된 무선광을 선별하기 위한 광학 필터 (optical filter), ii) 수신단 무선광을 전기적 신호로 변환하는 O-to-E (Optical to Electrical) 장치 및 iii) 신호를 해석하기 위한 직접 검출 (direct detection)을 통해 desired optical signal을 데이터로 복호할 수 있다.
한편, 도 15에 도시된 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따르면, 송신단은 i) 송신하고자 하는 데이터 (예를 들면, 전기적 신호)를 E-to-O device를 통해 광학 자원 (photonic source)으로 변환하고, ii) 광학 빔 제너레이터 (optical beam generator)를 통해 광학 빔 (optical beam)을 생성하여 무선환경으로 수신단에 전송할 수도 있다.
한편, 무선광은 광학에서 빔 (beam)으로 표현될 수 있다. 본 발명의 일 예 또는 구현 예에서는 광학 빔이 전자기파 (electromagnetic radiation)의 가로 모드 (transverse mode)중에서 공진 모드(resonant mode)에 해당되는 횡방향 전자계 모드 (Transverse ElectroMagnetic field/wave mode, TEM mode)로 구성된 경우에 대해서 설명하도록 한다.
TEM mode는 다시 빔의 형성 방법에 따라 TEM lm으로 지수 l, m으로 구분될 수 있다. TEM mode의 기본적인 형태는 일반적으로 가우시안 빔(Gaussian beam)으로서, TEM 00로 표현된다. TEM 00는 광축에 수직인 단면상의 파동 진폭 분포 (wave amplitude distribution)가 가우시안 함수 (Gaussian function)로 표현되는 광학 빔이다.
데이터를 포함하는 원하는 광학 빔 (desired optical beam)이 무선 환경에서 수신단에 의해 수신될 때, i) 다른 소스로부터의 간섭 (interference), ii) 태양으로부터의 태양광 간섭이 상기 desired optical beam과 함께 수신된다. 수신단은 i) desired optical beam에 사용된 무선광을 선별하기 위한 optical filter와 ii) 무선광을 전기적 신호로 변환하는 O-to-E Device 그리고 iii) 신호를 해석하기 위한 직접 검출 (direct detection)을 통해 desired optical beam을 데이터로 복호한다.
전술한 두 방식에서, 수신단이 광학 필터 (optical filter)를 이용해 전체 신호에서 원하는 광학 신호 또는 빔 (desired optical signal/beam)에 해당하는 대역만 수신하거나 편광(polarized light)을 이용하여도, 광학 관점에서 태양 광은 전 대역의 에너지를 가지면서 전 방향의 편광을 포함하므로, 완전한 간섭 제어는 불가능한 문제가 있다.
1. Photon OAM을 기반으로 하는 무선광 통신 송수신 절차
본 발명의 일 예 또는 구현 예에 대해 설명하기 앞서, 광자 (photon)의 궤도각운동량 (Orbital Angular Momentum, OAM)특성에 대해 먼저 설명하도록 한다.
전자기파는 전계 (Electric-field)와 자계 (Magnetic-field)로 구성되며, 전계의 방향 변화에 따라 각 운동량 (angular momentum)을 정의할 수 있다. 하나의 전자기파 (또는 광자)의 전파 (propagation)에 대해서, 전계의 방향 변화가 전파 방향에 수직으로 진동하는 경우를 선편광 (linear polarization)이라고 한다. 한편, 하나의 전자기파(또는 광자)의 전파 (propagation)에 대해서, 전계의 방향 변화가 전파 (propagation) 방향을 중심으로 회전하는 경우를 원편광 (circular polarization)이라고 한다.
한편, 빛은 광자마다
Figure PCTKR2019007883-appb-img-000003
로 표현되는 스핀 각운동량 (Spin Angular Momentum, SAM)을 갖는다. 전자기파 (또는 광자)가 동일한 시간에 전파되는 파면을 동위상면 (phasefront)이라고 하며, 평면 동위상면 (plane phasefront, 또는 plane wave)은 동일시간에 전파되는 파면에서 모든 전자기파의 위상이 동일한 것을 의미한다.
평면파가 아닌 경우 나선형의 동위상면 (helical phasefront)를 가진다고 하며, 일반적으로 OAM을 갖는 전자기파라고 할 수 있다. 빛은 광자마다
Figure PCTKR2019007883-appb-img-000004
로 표현되는 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum, OAM)을 갖는다. OAM은 파면에 대한 정의이므로, 각 지점의 전자기파는 선편광 또는 원편광되어 있을 수 있다. OAM은 광학적 정의에 의해서 Laguerre-Gaussian modes (예를 들면, LG beam) 또는 Cylindrical transverse mode patterns TEM(pl)으로 불리울 수 있다. 본 발명의 일 예 또는 구현 예에서는 TEM(pl)에 대해서, p=0이고, l은 OAM 모드 인덱스에 해당되는 값으로 정의한다. 예를 들면, OAM 모드 3은 TEM(03)이다. 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 p=0이 경우에 대해서만 예시하나, p가 0이 아닌 경우에도 동일한 방식으로 적용될 수 있다.
본 발명의 일 예 또는 구현 예에서, 무선 자원 (radio source)와 광 자원 (photon source)은 모두 전자기파이다. 다만, 종래의 통신과의 구분을 위해, 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 무선 자원과 광 자원의 주파수 대역을 예시적으로 다음과 같이 한정한다. 무선 자원은 수 테라 헤르츠 (Tera Hertz) 이하로서, 일반적인 무선 통신 시스템에서 고려하는 대역으로 정의한다. 광 자원은 수 테라 헤르츠 초과로서 무선 광 통신 시스템에서 고려하는 대역 (예를 들면, 적외선, 자외선, 가시광선 등)으로 정의한다. 특수 목적의 환경에서는 x선, 감마선에서도 본 발명에서 예시하는 방법이 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명의 일 예 또는 구현에 따르면, Photon OAM 을 기반으로 하는 무선광 통신 시스템의 송수신 방법이 제안된다. 구체적으로, 레거시 링크 (legacy link) 기반의 초기 접속 (initial access)과 브로드캐스트 메시지 (broadcast message) 기반의 초기 접속에 대해서 설명하도록 한다.
1.1. 레거시 링크 기반의 초기 접속
송신 단말과 수신 단말은 레거시 링크 (예를 들면, LTE, LTE-A, NR, WiFi, Bluetooth)를 통해 무선 광 통신을 위한 초기 정보를 공유할 수 있다. 무선 광 통신을 위한 초기 정보는 다음을 포함할 수 있다.
i) 송수신을 위한 대역: 이는 데이터 및 제어정보 송수신을 위한 주파수 대역 또는 빛의 파장 범위를 의미할 수 있다.
ii) 송수신을 위한 편광: 이는 데이터 및 제어정보 송수신을 위한 편광의 방향을 의미할 수 있다. 예를 들면, 간섭 제어를 위해 수직 편광을 통해서만 데이터 및 제어정보를 송수신하는 것이 송신 단말과 수신 단말간에 약속될 수 있다.
iii) 송수신을 위한 OAM 모드: 이는 데이터 및 제어정보 송수신을 위한 OAM 모드 인덱스를 의미할 수 있다.
iv) 송수신을 위한 기저대역 변조 (baseband modulation): 이는 데이터 및 제어정보 송수신을 위한 기저대역 변조 방법을 의미할 수 있다. 예를 들면, 데이터 변조 및 복조를 위해 i) single carrier modulation 방식으로 On/Off Keying (OOK) 방식이 사용되거나, ii) multi-carrier 방식으로 OFDM 방식이 사용될 수 있으며, 송신 단말과 수신 단말은 이를 사전에 약속 할 수 있다.
1.2. 브로드캐스트 메시지 기반의 초기 접속
송신 단말과 수신 단말은 브로드캐스트 메시지를 기반으로 초기 정보를 공유할 수 있다. 예를 들면, 송신 단말과 수신 단말은 LTE/LTE-A의 PBCH 또는 Common Control Channel에 해당하는 방식과 같이, 사전에 약속된 브로드캐스트 메시지를 광 자원 또는 무선 자원을 통해 브로드캐스트 하여 무선 광 통신을 위한 초기 정보를 공유할 수 있다. 무선 광 통신을 위한 초기 정보는 다음과 같을 수 있다.
i) 송수신을 위한 대역: 이는 데이터 및 제어정보 송수신을 위한 주파수 대역 또는 빛의 파장 범위를 의미할 수 있다.
ii) 송수신을 위한 편광: 이는 데이터 및 제어정보 송수신을 위한 편광의 방향을 의미할 수 있다. 예를 들면, 간섭 제어를 위해 수직 편광을 통해서만 데이터 및 제어정보를 송수신하는 것이 송신 단말과 수신 단말간에 약속될 수 있다.
iii) 송수신을 위한 OAM 모드: 이는 데이터 및 제어정보 송수신을 위한 OAM 모드 인덱스를 의미할 수 있다.
iv) 송수신을 위한 기저대역 변조: 이는 데이터 및 제어정보 송수신을 위한 기저대역 변조 방법을 의미할 수 있다. 예를 들면, 데이터 변조 및 복조를 위해 i) single carrier modulation 방식으로 On/Off Keying (OOK) 방식이 사용되거나, ii) multi-carrier 방식으로 OFDM 방식이 사용될 수 있으며, 송신 단말과 수신 단말은 이를 사전에 약속 할 수 있다.
2. Photon OAM을 기반으로 하는 무선광 통신 송수신 장치
2.1. OAM 기반의 무선 광 통신 송신 단말 및 수신 단말
도 16에 도시된 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따르면, i) 광자 궤도 각 운동량 빔 제너레이터 (Photon OAM Beam Generator)를 사용하여 신호를 전송하는 송신 단말, ii) 원하는 궤도 각 운동량 빔 (desired OAM beam)과 광학 간섭 (optical interference)을 구분하는 광학 필터를 사용하는 수신 단말을 포함하는 시스템이 제안된다. 제안되는 시스템에 따르면, 원하는 광학 빔과 동일 대역 및 동일 편광을 가지는 태양광 또는 다른 소스로부터의 간섭을 최소화하는 것이 가능하다.
무선광을 전자파로 해석하면, 빔의 형태에 따라 TEM 모드를 구분할 수 있다. TEM 모드의 기본적인 형태는 일반적으로 가우시안 빔(Gaussian beam)으로써, TEM 00로 표현된다. Rectangular transverse mode patterns을 가지는 Hermite-Gaussian (HG) 모드는 TEM mn 으로 표현된다. Cylindrical transverse mode patterns을 가지는 Laguerre-Gaussian (LG) 모드는 TEM pl 으로 표현된다. 본 발명의 일 예 또는 구현 예에서 Laguerre-Gaussian (LG) 모드(TEM pl)는 Photon OAM 으로 표현될 수 있다.
2.2. 송신 단말
송신 단말은 전송하고자 하는 데이터를 포함하는 전기 자원 (electric source)를 E-to-O device를 통해 광학 자원 (optical source)으로 변환할 수 있다. 변환된 광학 자원은 광자 궤도 각 운동량 빔 제너레이터를 통해 다음과 같이 Photon OAM beam으로 변환될 수 있다.
i) 송신 단말은 광학 자원을 레저네이터 (resonator)에 통과시켜 Gaussian Beam (TEM 00)으로 변환한 후, 나선형 위상 판 (spiral phase plate)을 통해 Photon OAM Beam (TEM pl)으로 변환할 수 있다.
ii) 송신 단말은 광학 자원을 레저네이터에 통과시켜, Gaussian Beam (TEM 00)으로 변환한 후, 나선형 위상 패턴 (spiral phase pattern)을 가지는 위상 홀로그램 (phase hologram)에 반사시켜 Photon OAM beam (TEM pl)으로 변환할 수 있다.
iii) 송신 단말은 광학 자원을 레저네이터에 통과시켜, Gaussian Beam (TEM 00)으로 변환한 후, Fork Diffraction pattern을 가지는 Phase hologram에 반사시켜 Photon OAM Beam (TEM pl)으로 변환할 수 있다.
iv) 송신 단말은 광학 자원을 레저네이터에 통과시켜, Hermite Gaussian Beam (TEM mn)으로 변환한 후, cylindrical Lens HG-LG mode converter (예를 들면, pi/2 mode converter)를 통과시켜 Photon OAM Beam (TEM pl)으로 변환할 수 있다.
한편, 전술한 i)-iv) 방법 이외에도 Photon OAM beam을 생성할 수 있는 다양한 방법이 본 발명의 예 또는 구현 예에 적용될 수 있다.
2.3. 수신 단말
2.3.1. 광학 필터
수신 단말에 구비되는 광학 필터는 일반적인 광학 필터 또는 편광 필터를 포함할 수 있다. 일반적인 광학 필터는 원하는 광학 빔 (desired optical beam)에 해당하는 대역을 수신하기 위한 광학 소자이다. 광학 필터는 파장에 관계없이 일정한 투과율로 투과시키는 필터 또는 특정한 파장 영역의 광 강도(light intensity)를 조절하는 보정 필터, 광 대비 필터를 포함할 수 있다. 광학 필터는 사용 주파수 영역에 따라서 적외 영역용 필터, 가시 영역용 필터, 자외 영역용 필터, 진공 자외 영역 필터 등으로 분류될 수 있다. 각각의 영역에서의 필터는 사용 재료, 구조가 서로 다를 수 있다.
또는, 광학 필터는 편광 필터 (polarized light filter)일 수 있다. 편광 필터는 desired optical beam에 해당하는 편광만을 수신하기 위해 특정 방향으로 진동하는 빛만 통과시키는 편광 특성을 이용한 필터이다. 일반적으로 편광은 비스듬한 투사광이 균일한 표면에서 반사될 때 주로 발생한다. 따라서 편광 필터를 사용하여 유리창이나 물체의 표면에서 반사되는 빛을 차단하면 그만큼 깨끗하고 진한 화상을 얻을 수 있다. 카메라의 편광 필터는 편광 방향을 회전시켜 조절할 수 있도록 되어 있다. 편광 필터를 사용하면 한 방향으로만 진동하는 파장만 남게 되어 자동 초점(autofocus) 카메라에서는 빛을 잘 인식하지 못하여 초점을 놓치는 경우가 있다. 이러한 현상을 해결한 것이 원 편광(circular polarized) 필터이다.
2.3.2. 렌즈 (lens)
렌즈는 수신된 광 자원 (optical source)을 굴절 (refraction) 효과를 이용하여 초점 (focal point)으로 포커싱 (focusing )하는 장치이다.
2.3.2.1. 파장 기반의 초점 제어 (focal point control based on wavelength)
도 17을 참조하면, 컨벡스 렌즈 (convex lens) 또는 프레넬 렌즈 (fresnel lens)를 통과한 광 자원은 파장에 따라 초점이 서로 다른 특성을 갖는다. 이러한 특성을 이용하여, 수신 단말은 포토다이오드 어레이 (photodiode array)에 수신되는 광 자원의 강도에 대한 집중도를 제어할 수 있다. 본 발명의 일 예eHSMS 구현 예에 따른 포토다이오드 어레이는 O-to-E 변환을 수행하는 수광소자가 특정 면적에 다수 개 분포하는 형태를 의미한다.
예를 들면, 도 17에서 녹색광의 초점이 f green 라고 할 때, 청색광과 적색광에 대한 초점은 각각 f blue, f red이다. 이 때, 청색광, 녹색광 및 적색광의 초점이 각각 다른 것을 확인할 수 있다. 수신 단말은 이런한 특성을 이용하여 녹색광의 강도를 포토다이오드 어레이의 중심에 모이게 하고, 적색광은 그보다 큰 영역에 강도가 퍼지게 하며, 청색광은 더 큰 영역에 강도가 퍼지게 제어할 수 있다.
이러한 제어를 통해, 수신 단말은 녹색광에 해당하는 초점에서는 상대적으로 녹색광 신호를 보다 효율적으로 수신할 수 있다. 한편, 수신 단말은 i) 컨벡스 렌즈 또는 프레넬 렌즈의 두께를 제어하거나, ii) 컨벡스 렌즈와 포토다이오드 어레이 사이의 거리를 제어함으로써 파장에 따른 초점을 제어할 수 있다.
2.3.2.2. OAM 모드 기반의 초점 제어 (focal point control based on OAM mode)
도 18을 참조하면, 임의의 굴절각을 가지는 렌즈 (예를 들면, 프레넬 렌즈)를 통과한 OAM 광 자원은 모드 인덱스에 따라 초점이 다른 특성을 갖는다. 이러한 특성을 이용하여 수신 단말은 포토다이오드 어레이에 수신되는 OAM 모드의 강도 집중도를 제어할 수 있다.
예를 들면, 도 18에서 OAM mode +1, OAM mode 0 및 OAM mode -1 의 초점이 서로 다른 것을 알 수 있다. 수신 단말은 OAM mode 0의 경우 포토다이오드 어레이의 중심에 강도가 모이게 제어하고, OAM mode -1은 그보다 큰 영역에 강도가 퍼지게 제어하며, OAM mode +1은 더 큰 영역에 강도가 퍼지게 제어할 수 있다.
한편, OAM mode 0의 초점이
Figure PCTKR2019007883-appb-img-000005
라고 할 때, 모드 인덱스
Figure PCTKR2019007883-appb-img-000006
에 대한 초점
Figure PCTKR2019007883-appb-img-000007
은
Figure PCTKR2019007883-appb-img-000008
으로 근사될 수 있다. 여기서, 상수
Figure PCTKR2019007883-appb-img-000009
는 OAM 분산 계수 (dispersion coefficient)이다.
한편, 수신 단말은 i) 렌즈 또는 프레넬 렌즈의 두께를 제어하거나, ii) 임의의 렌즈와 포토다이오드 어레이 사이의 거리를 제어함으로써 OAM 모드에 따른 초점을 제어할 수 있다.
2.3.3. 프레넬 존 플레이트 (Fresnel Zone Plate)
프레넬 존 플레이트는 회절 (diffraction) 효과를 통해, 수신된 광 자원을 초점으로 포커싱 하기 위한 장치이다. 보다 구체적으로, 존 플레이트 또는 프레넬 존 플레이트는 빛이나 파동 특성을 나타내는 물질들을 포커싱하는 장치이다. 렌즈 또는 곡면 거울과 달리, 존 플레이트는 반사와 굴절 대신에 회절을 이용한다. 존 플레이트는 불투명 (opaque) 및 투명 (transparent) 사이에서 번갈아 나타나는 프레넬 존으로 알려진 방사형 대칭 고리들 (radially symmetric rings)의 세트로 구성된다. 존 플레이트를 치는 빛 (light hitting the zone plate)은 불투명한 영역 주위에서 회절된다. 회절된 광이 원하는 초점에서 구조적으로 간섭하여 이미지를 생성하도록 상기 영역들은 서로 이격될 수 있다.
도 19를 참조하면, 프레넬 존 플레이트를 통과한 광 자원의 파동 특성 또는 OAM 모드 인덱스에 따른 초점 면 (focal plane)에서의 강도 분포가 다른 것을 알 수 있다. 이러한 특성을 기반으로, 수신 단말은 포토다이오드에 수신되는 광 자원의 강도 분포를 제어할 수 있다.
도 19를 참조하면, 프레넬 존 플레이트를 통과한 광 자원이 i) 태양광과 같은 자연광, ii) 선 편광 또는 원 편광된 편광과 같이 평면 파광 (plane wave light) 일 경우, 프레넬 존 플레이트의 초점 면의 중심에 강도가 집중된다.
한편, 프레넬 존 플레이트를 통과한 광 자원이 평면 파광 (plane wave light) 이면서 가우시안 빔 (Gaussian Beam)일 경우, 상기 광 자원은 프레넬 존 플레이트의 초점 면에 위치하는 포토다이오드의 중심을 기준으로 가우시안 분포 (Gaussian Distribution)로 강도가 분포된다.
한편, 프레넬 존 플레이트를 통과한 광 자원이 나선형 파광 (helical wave light)에 대응하는 LG 빔일 경우, 프레넬 존 플레이트의 초점 면에 위치하는 포토다이오드의 중심을 기준으로 OAM 상태 (state)의 특성을 유지하여 강도가 고리의 형태로 분포된다.
예를 들면, 도 19에서 OAM mode 0, OAM mode +3 및 OAM mode +5 의 강도 분포는 서로 다른 특성을 갖는다. 이를 통해, 수신 단말은 OAM mode 0은 포토 다이오드의 중심에 가우시안 분포로 강도가 모이게 하고, OAM mode +3은 그보다 큰 영역에 고리의 형태로 강도가 퍼지게 하며, OAM mode +5은 더 큰 영역에 고리의 형태로 강도가 퍼지게 할 수 있다. 이 때, 일반적인 평면 파광의 형태, 즉 i) 태양광과 같은 자연광, ii) 선 편광 또는 원 편광된 편광의 경우, 포토다이오드의 중심의 매우 작은 영역에 강도가 집중된다. 이 영역은 OAM mode 0의 포토다이오드의 중심에 가우시안 분포로 강도가 분포하는 영역보다 더 작은 영역을 가진다.
수신 단말은 i) 프레넬 존 플레이트의 고리 구성에 따른 패턴을 제어하거나, ii) 프레넬 존 플레이트와 포토다이오드 사이의 거리를 제어함으로써 포토다이오드에 수신되는 광 자원의 강도 분포를 제어할 수 있다.
2.3.4. 포톤 시브 (photon sieve)
포톤 시브는 회절 및 간섭 효과를 통해, 수신된 광 자원을 초점으로 포커싱 하기 위한 장치이다. 포톤 시브는 전술한 프레넬 존 플레이트의 고리와 유사한 패턴으로 배열된 핀 홀들로 가득 찬 평평한 시트로 구성되지만, 존 플레이트보다 훨씬 선명한 초점을 제공할 수 있다. 포톤 시브는 여러 크기 및 패턴을 갖는 핀 홀들을 포함하도록 제조됨으로써 응용에 적합하도록 초점 동작의 특성이 변경될 수 있기 때문에 다양하게 활용될 수 있다.
수신 단말은 포톤 시브를 통과한 광 자원의 i) 파동 특성 또는 ii) OAM 모드 인덱스에 따라 초점 면에서의 강도 분포가 달라지는 특성을 기반으로, 포토다이오드에서 수신되는 광 자원의 강도 분포를 제어할 수 있다.
포톤 시브를 통과한 광 자원이 i) 태양광과 같은 자연광, ii) 선 편광 또는 원 편광된 편광과 같이 평면 파광 (plane wave light) 일 경우, 포톤 시브의 초점 면에 위치하는 포토다이오드 어레이의 중심에 광 자원의 강도가 집중된다.
한편, 포톤 시브를 통과한 광 자원이 평면 파광 (plane wave light) 이면서 가우시안 빔 (Gaussian Beam)일 경우, 상기 광 자원은 포톤 시브의 초점 면에 위치하는 포토다이오드 어레이의 중심을 기준으로 가우시안 분포 (Gaussian Distribution)로 강도가 분포된다.
한편, 포톤 시브를 통과한 광 자원이 나선형 파광 (helical wave light)에 대응하는 LG 빔일 경우, 포톤 시브의 초점 면에 위치하는 포토다이오드 어레이의 중심을 기준으로 OAM 상태 (state)의 특성을 유지하여 강도가 고리의 형태로 분포된다.
예를 들면, 도 20에서 OAM mode 0, OAM mode +3 및 OAM mode +5 의 강도 분포는 서로 다른 특성을 갖는다. 이를 통해, 수신 단말은 OAM mode 0은 포토 다이오드의 중심에 가우시안 분포로 강도가 모이게 하고, OAM mode +3은 그보다 큰 영역에 고리의 형태로 강도가 퍼지게 하며, OAM mode +5은 더 큰 영역에 고리의 형태로 강도가 퍼지게 할 수 있다. 이 때, 일반적인 평면 파광의 형태, 즉 i) 태양광과 같은 자연광, ii) 선 편광 또는 원 편광된 편광의 경우, 포토다이오드 어레이의 중심의 매우 작은 영역에 강도가 집중된다. 이 영역은 OAM mode 0의 포토다이오드 어레이의 중심에 가우시안 분포로 강도가 분포하는 영역보다 더 작은 영역을 가진다.
수신 단말은 i) 포톤 시브의 핀 홀 구성에 따른 패턴을 제어하거나, ii) 포톤 시브와 포토다이오드 어레이 사이의 거리를 제어함으로써 포토다이오드 어레이에 수신되는 광 자원의 강도 분포를 제어할 수 있다.
2.3.5. 페이즈 마스크 (phase mask)
페이즈 마스크는 회절 효과를 통해, 수신된 광 자원의 특성에 따라 전파 방향 (propagation direction)을 제어하는 장치로서, 광학 소자로 구성된다.
수신 단말은 i) 페이즈 마스크 (또는 패턴 마스크)를 통과한 광 자원의 파동 특성 또는 ii) OAM 모드 인덱스에 따라 빔의 전파 방향이 변화하는 특성을 기반으로, 포토다이오드 어레이에 수신되는 광 자원의 강도 분포 위치를 제어할 수 있다.
예를 들면, 도 21에 도시된 것과 같이 OAM mode 0, OAM mode +2, OAM mode -2, OAM mode +3의 강도 분포 위치는 서로 다른 것을 알 수 있다. 이 때, 일반적인 평면 파광의 형태, 즉, i) 태양광과 같은 자연광, ii) 선 편광 또는 원 편광된 편광의 경우, OAM 모드 0의 평면파와 위상 특성이 동일하기 때문에 OAM 모드 0의 강도 분포가 위치하는 수신 면 (receiving plane) 상의 제 3 사분면에 강도가 분포할 수 있다. 한편, 렌즈는 페이즈 마스크를 통과한 광 자원이 수신 면에서 포커싱 되도록 하는 역할을 한다.
수신 단말은 i) 페이즈 마스크를 구성하는 페이즈 요소들 (phase elements) 을 제어하거나 ii) 페이즈 마스크와 포토다이오드 어레이, 페이즈 마스크와 렌즈, 렌즈와 포토다이오드 어레이 사이의 거리를 제어함으로써, 포토다이오드 어레이에 수신되는 광 자원의 강도 분포의 위치를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따르면, 전술한 광학 필터들 (예를 들면, 렌즈, 프레넬 존 플레이트, 포톤 시브, 페이즈 마스크)은 각각의 특성을 복합적으로 얻기 위해, 2 개 이상이 조합되어 적용될 수 있다. 예를 들면, 수신 단말은 i) 수신 파장을 제어하기 위해 일반적인 광학 필터로 특정 파장을 수신하고, ii) 편광 필터를 통해 목적하는 편광을 수신하고, iii) 포톤 시브를 통해 파광 (wave light)의 특성에 따라 평면 파와 나선형 파 모드들을 구분할 수 있다.
3. 광학 자원 (optical/photon source)의 특성에 따른 빔 분산 (beam divergence)
일반적으로, 무선 광은 광학 자원 (optical/photon source)의 특성에 따라 빔 분산 (beam divergence)의 특성을 갖는다. 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따르면, 무선 광의 빔 분산 특성을 이용한 송신 단말 및 수신 단말간의 OAM 모드 선택 방법이 제안된다.
3.1. 가우시안 빔의 분산각 (divergence angle of Gaussian beam)
도 22는 원거리 장 (far-field)에서의 가우시안 빔의 분산각을 설명하기 위한 도면이다. 가우시안 빔의 분산각은 아래 [수학식 2]와 같이 정의될 수 있다. 여기서, k o 는 웨이브벡터 (wavevector)로 2pi/lambda이며, w o 는 최소 빔 웨이스트 (minimum beam waist)로 빔을 형성하는 방법에 따라 다를 수 있다.
Figure PCTKR2019007883-appb-img-000010
송신 단말이 빔을 형성할 때 M2 factor를 최적으로 설계하여 M2=1 이라고 가정하자. 도 22를 참조하면, i) waist=658um 이고, wavelength=700nm 일 때, angle=338.6urad (즉, 0.0194 degree)가 된다. 또한, ii) waist=375um 이고, wavelength=400nm 일 때, angle=338.6urad (즉, 0.0194 degree)가 된다. 이 경우, distance=10m에서 빔 반경 (beam radius)은 3.4mm가 된다.
3.2. LG 빔의 분산각 (divergence angle of LG beam)
도 23 내지 도 24는 원거리 장에서의 LG 빔의 분산각을 설명하기 위한 도면이다. LG 빔의 분산각은 아래 [수학식 3] 내지 [수학식 5]를 통해 설명될 수 있다. 구체적으로, [수학식 3]은 w o 가 고정된 경우를 나타내고, [수학식 4]는 r rms(0)가 고정된 경우를 나타낸다. 한편, k o 는 wavevector로 2pi/lambda이며, w o 는 minimum beam waist로 빔을 형성하는 방법에 따라 다를 수 있고, [수학식 5]와 같은 관계를 가질 수 있다.
Figure PCTKR2019007883-appb-img-000011
Figure PCTKR2019007883-appb-img-000012
Figure PCTKR2019007883-appb-img-000013
송신 단말이 빔을 형성할 때 M2 factor를 최적으로 설계하여 M2=1 이라고 가정하자. 도 23을 참조하면, | l|에 따라 Distance = 10m에서 도 23에 도시된 것과 같이 빔 반경이 나타날 수 있다. 한편, 도 24를 참조하면, OAM 빔의 경우 OAM Order l에 따라 빔 반경이 다른 것을 알 수 있다. 또한, 송신 단말과 수신 단말간 거리에 따라 수신 단말에서의 빔 크기 (예를 들면, 빔 반경)가 다르게 된다. 수신 효율을 보장하기 위해서, 수신 단말은 송신 단말로부터 송신된 빔의 전체 광 자원 (optical/photon source)을 수신해야 하므로, 전술한 빔의 특성을 이용하여 적절하게 빔의 분산 각을 제어하는 방법이 필요하다.
4. 피드백 기반의 OAM 모드 선택 (feedback based OAM mode selection)
4.1. 송신 단말은 전술한 "1. Photon OAM을 기반으로 하는 무선광 통신 송수신 절차"에서 약속된 방법을 이용하여 원하는 광학 빔 (desired optical beam), 예를 들면 TEMpl을 통해 데이터를 전송할 수 있다. 도 25는 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 송신 단말과 수신 단말을 나타낸 도면이다. 송신 단말은 원하는 빔의 전송에 있어서, 수신 단말과 약속한 방식으로 주기적인 (또는 비주기적인) 참조신호 (reference signal)를 전송할 수 있다.
4.2. 도 25를 참조하면, 수신 단말은 전술한 "2. Photon OAM을 기반으로 하는 무선광 통신 송수신 장치"에서 약속된 방법으로 원하는 광학 빔 (예를 들면, TEMpl)을 광학 필터를 통과시켜 O-to-E Device를 통해 수신할 수 있다.
4.3. 도 26을 참조하면, 수신 단말은 참조신호를 기반으로 원하는 빔에 대한 포토다이오드 어레이 영역을 측정하고, 빔 반경을 측정할 수 있다. 이 때, 수신 단말은 원하는 빔에 해당하는 포토다이오드 중에서 평균 강도를 기준으로 임계 값 내의 포토 다이오드들을 원하는 포토다이오드 (desired photodiode)로 판단할 수 있다. 이는 아래 [수학식 6]과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2019007883-appb-img-000014
[수학식 6] 에서 D는 원하는 빔 존에 해당하는 포토다이오드의 세트를 나타내고, |D|는 원하는 빔 존에 해당하는 포토다이오드의 수를 나타내고,
Figure PCTKR2019007883-appb-img-000015
는 기설정된 또는 적응적으로 설정된 강도 임계 값을 나타낸다. 한편, 수신 단말은 판단된 "원하는 포토다이오드"들로부터 빔 반경 (즉, R d)를 측정한다. 도 27에 도시된 것과 같이 원하는 포토다이오드는 포토다이오드 어레이의 중심 (x 0, y 0)이 아닌 지점, 예를 들면 (x n, y n)에 분포할 수 있다. 이 경우 수신 단말은 측정되는 패턴을 기준으로 R d을 유추할 수도 있다.
4.4. 도 28을 참조하면, 수신 단말은 측정된 강도 (measured intensity)를 기반으로 간섭 빔 (interference beam)에 대한 포토다이오드 어레이 영역을 측정하고, 빔 반경을 측정할 수도 있다. 예를 들면, 수신 단말은 기설정된 임계 값을 초과하는 강도를 가지는 포토다이오드를 간섭 포토다이오드 (interference photodiode)로 판단할 수 있다. 수신 단말은 판단된 간섭 포토다이오드들로부터 빔 반경 (예를 들면 R i)을 측정할 수 있다. 한편, 도 29에 도시된 것과 같이 간섭 포토다이오드는 포토다이오드 어레이의 중심 (x 0, y 0)이 아닌 지점, 예를 들면 (x m, y m)에 분포할 수 있다. 이 경우 수신 단말은 측정되는 패턴을 기준으로 R i을 유추할 수도 있다.
한편, 수신 단말이 측정된 강도를 기반으로 포토다이오드 어레이 영역 및 빔 반경을 측정하는 것은 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 있어 필수적인 것은 아니며, 선택적으로 수행될 수 있다.
4.5. 수신 단말은 측정된 빔 반경에 관한 정보를 송신 단말에게 피드백할 수 있다. 예를 들면, 수신 단말은 피드백 채널 (예를 들면, LTE/LTE-A/NR의 PUCCH 또는 PUSCH)을 통해 빔 반경에 관한 정보를 송신 단말에게 피드백할 수 있다.
피드백되는 정보는 i) 원하는 빔의 빔 반경 R d 및 기준 좌표 (x n, y n), ii) 간섭 빔의 빔 반경 R i 및 기준 좌표 (x m, y m) 중 적어도 하나일 수 있다. 피드백되는 정보는 i) 수신 단말에 의해 데이터의 형태로 송신되거나, ii) 양자화된 (quantized) 정보로 송신되거나, iii) 사전에 정의된 룩업 테이블 (lookup table)에 의해 인덱스로 송신될 수 있다. 한편, 수신 단말은 요청하고자 하는 OAM 모드 인덱스를 추정하여 피드백 정보를 통해 송신 단말에게 이를 전달할 수 있다.
원하는 빔 반경의 증가 또는 감소를 위해, 수신 단말은 피드백되는 정보를 통해 OAM 모드 인덱스 업 (OAM mode index up)을 요청하거나 OAM 모드 인덱스 다운 (OAM mode index down)을 요청할 수 있다. 예를 들면, 도 30에 도시된 것과 같이 원하는 빔과 간섭 빔이 잘 구분되지 않고, 원하는 빔의 빔 반경이 작은 경우, 수신 단말의 피드백을 통해 OAM 모드 인덱스 업 (OAM mode index up)을 요청할 수 있다. 도 31은 원하는 빔의 반경의 크기는 적절하나 간섭빔이 tilting되어 원하는 빔과 잘 구분되지 않는 경우, 수신 단말의 피드백을 통해 OAM 모드 인덱스 업 (OAM mode index up)을 요청할 수 있다.
한편, 도 32에 도시된 것과 같이 원하는 빔과 간섭 빔이 잘 구분되지만 원하는 빔의 빔 반경이 큰 경우, 수신 단말은 OAM 모드 인덱스 다운 (OAM mode index down)을 요청할 수 있다. 도 33은 원하는 빔의 반경의 크기는 적절하나 간섭빔이 tilting되어 원하는 빔과 잘 구분되지 않는 상황에서, 도 31과는 달리 OAM 모드 인덱스 업을 요청하는 경우, 수신 영역을 벗어날 수 있으므로, 수신 단말의 피드백을 통해 OAM 모드 인덱스 다운 (OAM mode index down)을 요청할 수 있다. 도 34는 원하는 빔이 tilting되어 수신영역을 벗어나면서 간섭 빔과 잘 구분되지 않는 경우, 수신 단말의 피드백을 통해 OAM 모드 인덱스 다운 (OAM mode index down)을 요청할 수 있다.
상기에서 예시되는 도 30에서 도 34의 각 경우들은 예시되지 않은 다른 경우들과 함께, 사전에 정의된 룰에 의해 약속될 수 있다. 예를 들어, Look up table과 같이, 수신되는 원하는 빔과 간섭 빔의 pattern에 따라 미리 정의되어, 수신된 pattern과의 비교에 의해, OAM 모드 인덱스 업 또는 다운을 적응적으로 선택할 수 있다.
한편, 수신 단말은 원하는 빔의 현재 인덱스를 유지하기 위해, i) 송신 단말에게 피드백을 전달하지 않거나 ii) 사전에 약속된 빔 인덱스를 유지하는 필드 또는 인덱스를 피드백할 수 있다. 예를 들면, 도 35에 도시된 것과 같이 원하는 빔과 간섭 빔이 잘 구분되는 경우, 수신 단말은 원하는 빔의 현재 인덱스를 유지하기 위해, i) 송신 단말에게 피드백을 전달하지 않거나 ii) 사전에 약속된 빔 인덱스를 유지하는 필드 또는 인덱스를 피드백할 수 있다.
4.6. 송신 단말은 수신 단말로부터 피드백 받은 빔 반경 정보를 기반으로 OAM 모드 선택을 수행할 수 있다.
4.7. 송신 단말은 선택된 OAM 모드 인덱스를 기반으로 광학 빔 (optical beam), 예를 들면 TEMpl을 생성하고, 수신 단말에게 전송할 수 있다.
4.8. 수신 단말은 전술한 "2. Photon OAM을 기반으로 하는 무선광 통신 송수신 장치"에서 약속된 방법으로 원하는 광학 빔 (예를 들면, TEMpl)을 광학 필터를 통과시켜 O-to-E Device를 통해 수신할 수 있다.
5. 센싱 기반의 OAM 모드 선택 (sensing based OAM mode selection)
도 36은 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 송신 단말 및 수신 단말을 나타낸 도면이다. 구체적으로 송신 단말은 전술한 "1. Photon OAM을 기반으로 하는 무선광 통신 송수신 절차"에서 약속된 방법을 이용하여 원하는 광학 빔 (desired optical beam), 예를 들면 TEMpl을 통해 데이터를 전송할 수 있다. 송신 단말은 원하는 빔의 전송에 있어서, 수신 단말과 약속한 방식으로 주기적인 (또는 비주기적인) 참조신호 (reference signal)를 전송할 수 있다.
한편, 송신 단말은 거리 측정 센서를 기반으로 타겟 수신 단말과의 거리를 측정한다. 상기 거리 측정 센서는, 예를 들면 레이다 (RAdio Detection And Ranging, RADAR), 라이다 (Light Detection And Ranging, LiDAR)를 포함할 수 있다.
송신 단말은 측정된 거리에 관한 정보를 기반으로 OAM 모드 선택을 수행할 수 있다. 또한, 송신 단말은 선택된 OAM 모드 인덱스를 기반으로 광학 빔, 예를 들면 TEMpl을 생성하고, 수신 단말에게 전송할 수 있다. 수신 단말은 전술한 "2. Photon OAM을 기반으로 하는 무선광 통신 송수신 장치"에서 약속된 방법으로 원하는 광학 빔 (예를 들면, TEMpl)을 광학 필터를 통과시켜 O-to-E Device를 통해 수신할 수 있다.
6. 피드백 및 센싱 기반의 OAM 모드 선택 (feedback and sensing based OAM mode selection)
도 37은 전술한 i) 피드백 기반의 OAM 모드 선택 방법과 ii) 센싱 기반의 OAM 모드 선택 방법이 함께 적용된 송신 단말 및 수신 단말을 나타낸 것이다. 구체적으로, 송신 단말은 수신 단말로부터의 피드백 정보와 거리 측정 센서를 이용하여 측정된 수신 단말과의 거리 정보를 함께 적용하여 OAM 모드 인덱스를 적응적으로 선택할 수 있다. 도 37에 따른 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따르면, 적응적으로 선택된 OAM 모드 인덱스는 데이터 전송에 적용됨으로써 수신 단말의 수신 효율이 보장될 수 있는 기술적 효과가 있다.
상기에서 제안하는 4. 5. 6.의 방식들은 하나의 원하는 빔과 하나의 간섭 빔에 대해서 설명하고 있으나, 원하는 빔이 다수 개 이거나 간섭 빔이 다수 개 인 경우와 원하는 빔과 간섭 빔이 모두 다수 개 인 경우에도 동일한 방식으로 동작할 수 있다. 이 때, feedback 해야 하는 정보는 각 원하는 빔과 각 간섭 빔에 대해서 이루어 질 수 있다.
도 38은 본 발명의 일 예 또는 구현 예에 따른 무선광 통신 시스템의 송신 단말과 수신 단말간의 신호 송수신을 설명하기 위한 도면이다.
무선 광 통신 시스템에서 송신 단말이 신호를 송신하는 방법은 상기 송신 단말과 통신 링크가 수립된 수신 단말에게 참조 신호를 포함하는 제 1 광 신호를 송신하는 것, 상기 수신 단말로부터 상기 제 1 광 신호에 대한 피드백 정보를 수신하는 것, 그리고 상기 피드백 정보에 기반하여, 상기 수신 단말에게 제 2 광 신호를 송신하는 것을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제 2 광 신호의 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum, OAM) 모드는 상기 피드백 정보를 기반으로 선택될 수 있다.
한편, 상기 피드백 정보는 상기 수신 단말의 포토다이오드 어레이에서 원하는 신호 (desired signal)가 검출되는 영역의 반경 (radius)을 포함하고, 상기 제 2 광 신호의 OAM 모드는 상기 영역의 반경을 기반으로 선택될 수 있다.
무선 광 통신 시스템에서 송신 단말이 신호를 송신하는 방법은 상기 송신 단말과 통신 링크가 수립된 수신 단말에게 참조 신호를 포함하는 제 1 광 신호를 송신하는 것, 거리 측정 센서를 통해 상기 수신 단말과의 거리를 측정하는 것, 상기 측정된 거리를 기반으로 제 2 광 신호의 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum, OAM) 모드를 선택하는 것, 그리고 상기 제 2 광 신호를 상기 수신 단말에게 송신하는 것을 포함할 수 있다.
한편, 상기 거리 측정 센서는 레이다 (RAdio Detection And Ranging, RADAR), 또는 라이다 (Light Detection And Ranging, LiDAR)를 포함할 수 있다.
무선 광 통신 시스템에서 수신 단말이 신호를 수신하는 방법은 통신 링크가 수립된 송신 단말로부터 참조 신호를 포함하는 제 1 광 신호를 수신하는 것, 상기 송신 단말에게 상기 제 1 광 신호에 대한 피드백 정보를 송신하는 것, 그리고 상기 송신 단말로부터 상기 피드백 정보에 기반한 제 2 광 신호를 수신하는 것을 포함할 수 있다.
한편, 상기 피드백 정보는 상기 포토다이오드 어레이의 기준 좌표를 기준으로 원하는 신호 (desired signal)가 검출되는 포토다이오드 어레이 영역의 반경 (radius)을 측정하는 것에 기반하여 생성될 수 있다.
한편, 상기 피드백 정보는 상기 포토다이오드 어레이의 기준 좌표를 기준으로 간섭 신호 (interference signal)가 검출되는 포토다이오드 어레이 영역의 반경 (radius)을 측정하는 것에 더 기반하여 생성될 수 있다.
한편, 상기 피드백 정보는 상기 제 1 광 신호의 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum, OAM) 모드 인덱스의 증가 또는 감소를 요청하는 것을 포함할 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려되어야 한다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.
본 발명은 본 발명의 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
발명의 실시를 위한 다양한 형태가 상기 발명의 실시를 위한 최선의 형태에서 설명되었다.
상기 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
본 발명은 3GPP LTE/LTE-A, 5G 시스템 등 다양한 무선통신 시스템에서 산업상으로 적용이 가능하다.

Claims (16)

  1. 무선 광 통신 시스템에서 송신 단말이 신호를 송신하는 방법에 있어서,
    상기 송신 단말과 통신 링크가 수립된 수신 단말에게 참조 신호를 포함하는 제 1 광 신호를 송신;
    상기 수신 단말로부터 상기 제 1 광 신호에 대한 피드백 정보를 수신;
    상기 피드백 정보에 기반하여, 상기 수신 단말에게 제 2 광 신호를 송신하는 것을 포함하고,
    상기 제 2 광 신호의 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum, OAM) 모드는 상기 피드백 정보를 기반으로 선택되는, 송신 단말이 신호를 송신하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피드백 정보는 상기 수신 단말의 포토다이오드 어레이에서 원하는 신호 (desired signal)가 검출되는 영역의 반경 (radius)을 포함하고,
    상기 제 2 광 신호의 OAM 모드는 상기 영역의 반경을 기반으로 선택되는, 송신 단말이 신호를 송신하는 방법.
  3. 무선 광 통신 시스템에서 송신 단말이 신호를 송신하는 방법에 있어서,
    상기 송신 단말과 통신 링크가 수립된 수신 단말에게 참조 신호를 포함하는 제 1 광 신호를 송신;
    거리 측정 센서를 통해 상기 수신 단말과의 거리를 측정;
    상기 측정된 거리를 기반으로 제 2 광 신호의 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum, OAM) 모드를 선택; 및
    상기 제 2 광 신호를 상기 수신 단말에게 송신하는 것을 포함하는, 송신 단말이 신호를 송신하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 거리 측정 센서는 레이다 (RAdio Detection And Ranging, RADAR), 또는 라이다 (Light Detection And Ranging, LiDAR)를 포함하는, 송신 단말이 신호를 송신하는 방법.
  5. 무선 광 통신 시스템에서 수신 단말이 신호를 수신하는 방법에 있어서,
    통신 링크가 수립된 송신 단말로부터 참조 신호를 포함하는 제 1 광 신호를 수신;
    상기 송신 단말에게 상기 제 1 광 신호에 대한 피드백 정보를 송신; 및
    상기 송신 단말로부터 상기 피드백 정보에 기반한 제 2 광 신호를 수신하는 것을 포함하는, 수신 단말이 신호를 수신하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 피드백 정보는 상기 포토다이오드 어레이의 기준 좌표를 기준으로 원하는 신호 (desired signal)가 검출되는 포토다이오드 어레이 영역의 반경 (radius)을 측정하는 것에 기반하여 생성되는, 수신 단말이 신호를 수신하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 피드백 정보는 상기 포토다이오드 어레이의 기준 좌표를 기준으로 간섭 신호 (interference signal)가 검출되는 포토다이오드 어레이 영역의 반경 (radius)을 측정하는 것에 더 기반하여 생성되는, 수신 단말이 신호를 수신하는 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 피드백 정보는 상기 제 1 광 신호의 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum, OAM) 모드 인덱스의 증가 또는 감소를 요청하는 것을 포함하는, 수신 단말이 신호를 수신하는 방법.
  9. 무선 광 통신 시스템에서 신호를 송신하는 송신 단말에 있어서,
    송수신기 (transceiver);
    프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 송수신기를 제어하여 상기 송신 단말과 통신 링크가 수립된 수신 단말에게 참조 신호를 포함하는 제 1 광 신호를 송신하고,
    상기 송수신기를 제어하여 상기 수신 단말로부터 상기 제 1 광 신호에 대한 피드백 정보를 수신하고,
    상기 송수신기를 제어하여 상기 피드백 정보에 기반하여 상기 수신 단말에게 제 2 광 신호를 송신하며,
    상기 제 2 광 신호의 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum, OAM) 모드는 상기 피드백 정보를 기반으로 선택되는, 신호를 송신하는 송신 단말.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 피드백 정보는 상기 수신 단말의 포토다이오드 어레이에서 원하는 신호 (desired signal)가 검출되는 영역의 반경 (radius)을 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 제 2 광 신호의 OAM 모드를 상기 영역의 반경을 기반으로 선택하는, 신호를 송신하는 송신 단말.
  11. 무선 광 통신 시스템에서 신호를 송신하는 송신 단말에 있어서,
    송수신기 (transceiver);
    프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 송수신기를 제어하여 상기 송신 단말과 통신 링크가 수립된 수신 단말에게 참조 신호를 포함하는 제 1 광 신호를 송신하고,
    거리 측정 센서를 통해 상기 수신 단말과의 거리를 측정하고,
    상기 측정된 거리를 기반으로 제 2 광 신호의 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum, OAM) 모드를 선택하고,
    상기 제 2 광 신호를 상기 수신 단말에게 송신하는, 신호를 송신하는 송신 단말.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 거리 측정 센서는 레이다 (RAdio Detection And Ranging, RADAR), 또는 라이다 (Light Detection And Ranging, LiDAR)를 포함하는, 신호를 송신하는 송신 단말.
  13. 무선 광 통신 시스템에서 신호를 수신하는 수신 단말에 있어서,
    송수신기 (transceiver);
    프로세서를 포함하고,
    상기 송수신기를 제어하여 통신 링크가 수립된 송신 단말로부터 참조 신호를 포함하는 제 1 광 신호를 수신하고,
    상기 송수신기를 제어하여 상기 송신 단말에게 상기 제 1 광 신호에 대한 피드백 정보를 송신하고,
    상기 송수신기를 제어하여 상기 송신 단말로부터 상기 피드백 정보에 기반한 제 2 광 신호를 수신하는, 신호를 수신하는 수신 단말.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 포토다이오드 어레이의 기준 좌표를 기준으로 원하는 신호 (desired signal)가 검출되는 포토다이오드 어레이 영역의 반경 (radius)을 측정하는 것에 기반하여 상기 피드백 정보를 생성하는, 신호를 수신하는 수신 단말.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 포토다이오드 어레이의 기준 좌표를 기준으로 간섭 신호 (interference signal)가 검출되는 포토다이오드 어레이 영역의 반경 (radius)을 측정하는 것에 더 기반하여 상기 피드백 정보를 생성하는, 신호를 수신하는 수신 단말.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 피드백 정보는 상기 제 1 광 신호의 궤도 각 운동량 (Orbital Angular Momentum, OAM) 모드 인덱스의 증가 또는 감소를 요청하는 것을 포함하는, 신호를 수신하는 수신 단말.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022156608A1 (zh) * 2021-01-20 2022-07-28 索尼集团公司 用于无线通信的电子设备和方法、计算机可读存储介质
WO2022178705A1 (en) * 2021-02-24 2022-09-01 Qualcomm Incorporated Mode division duplex for orbital angular momentum communications
WO2023038210A1 (ko) * 2020-09-08 2023-03-16 한국과학기술원 Oam 모드 분할 기반 공간 다중화를 이용한 통신 방법 및 송신기
WO2023065325A1 (zh) * 2021-10-22 2023-04-27 北京小米移动软件有限公司 基于轨道角动量的共享信道传输及装置
WO2023097588A1 (en) * 2021-12-02 2023-06-08 Qualcomm Incorporated Orbital angular momentum based codebook for access communications
WO2023206296A1 (zh) * 2022-04-28 2023-11-02 北京小米移动软件有限公司 一种轨道角动量oam模态的确定方法及其装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9077577B1 (en) * 2014-04-04 2015-07-07 Solyman Ashrafi System and method for communication using orbital angular momentum with multiple layer overlay modulation
US9240956B2 (en) * 2012-03-11 2016-01-19 Broadcom Corporation Communication system using orbital angular momentum
EP3163766A1 (en) * 2015-10-27 2017-05-03 Intel Corporation Orbital angular momentum in millimeter-wave wireless communication
US20170230115A1 (en) * 2014-04-04 2017-08-10 Nxgen Partners Ip, Llc Shorter wavelength transmission of oam beams in conventional single mode fiber
KR20190043080A (ko) * 2017-10-17 2019-04-25 한국과학기술원 Uca 기반 oam 시스템에서 rf 체인 사이의 불균형 추정 및 보상 방법

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009302703A (ja) * 2008-06-11 2009-12-24 Toshiba Corp コンプリメンタリー光配線システム
US9591492B2 (en) * 2011-11-08 2017-03-07 Qualcomm Incorporated User equipment, base stations, and methods allowing for handling of colliding channel state information reports
US9768909B2 (en) * 2014-03-19 2017-09-19 University Of Southern California Systems and techniques for orbital angular momentum based reconfigurable switching
US10761014B2 (en) * 2014-11-04 2020-09-01 Nec Corporation Method and apparatus for remote sensing using optical orbital angular momentum (OAM)-based spectroscopy for object recognition
US10103799B2 (en) * 2015-03-16 2018-10-16 Lockheed Martin Corporation Apparatus and method for increased data rates in underwater communications using orbital angular momentum
CN104821875B (zh) * 2015-05-15 2017-11-14 北京邮电大学 基于光子轨道角动量编码实现的高容量量子秘密共享方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9240956B2 (en) * 2012-03-11 2016-01-19 Broadcom Corporation Communication system using orbital angular momentum
US9077577B1 (en) * 2014-04-04 2015-07-07 Solyman Ashrafi System and method for communication using orbital angular momentum with multiple layer overlay modulation
US20170230115A1 (en) * 2014-04-04 2017-08-10 Nxgen Partners Ip, Llc Shorter wavelength transmission of oam beams in conventional single mode fiber
EP3163766A1 (en) * 2015-10-27 2017-05-03 Intel Corporation Orbital angular momentum in millimeter-wave wireless communication
KR20190043080A (ko) * 2017-10-17 2019-04-25 한국과학기술원 Uca 기반 oam 시스템에서 rf 체인 사이의 불균형 추정 및 보상 방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LI, SHUHUI ET AL.: "Adaptive power -controllable orbital angular momentum (OAM)multicasting", SCIENTIFIC REPORTS, vol. 5, 19 May 2015 (2015-05-19), pages 1 - 8, XP055778667, Retrieved from the Internet <URL:https:/Av\\w.nature.com/aiticles/srep09677> [retrieved on 20200318] *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023038210A1 (ko) * 2020-09-08 2023-03-16 한국과학기술원 Oam 모드 분할 기반 공간 다중화를 이용한 통신 방법 및 송신기
WO2022156608A1 (zh) * 2021-01-20 2022-07-28 索尼集团公司 用于无线通信的电子设备和方法、计算机可读存储介质
WO2022178705A1 (en) * 2021-02-24 2022-09-01 Qualcomm Incorporated Mode division duplex for orbital angular momentum communications
WO2023065325A1 (zh) * 2021-10-22 2023-04-27 北京小米移动软件有限公司 基于轨道角动量的共享信道传输及装置
WO2023097588A1 (en) * 2021-12-02 2023-06-08 Qualcomm Incorporated Orbital angular momentum based codebook for access communications
WO2023206296A1 (zh) * 2022-04-28 2023-11-02 北京小米移动软件有限公司 一种轨道角动量oam模态的确定方法及其装置

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